Brevet FR2968482A1 — publié le 20120608

Convertisseur continu-continu comportant une pluralité d'onduleurs avec un déphasage entre les lois de commutation des onduleurs La présente invention concerne un système de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu, du type comprenant : - deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, - N onduleurs de tension connectés entre les deux bornes d'entrée, N étant supérieur ou égal à 2, chaque onduleur comportant deux bornes d'entrée, des interrupteurs électroniques commandables propres à convertir une tension continue d'entrée en une tension alternative de sortie, et une borne de sortie pour chaque phase de la tension alternative de sortie, - des moyens de commande des interrupteurs électroniques des onduleurs, chaque onduleur étant associé à une loi de commutation, et pour chaque onduleur, - un transformateur de tension connecté en sortie de l'onduleur correspondant, et - un redresseur de tension connecté en sortie du transformateur correspondant, les N redresseurs étant connectés entre les deux bornes de sortie. L'invention concerne également un réseau d'alimentation en courant électrique continu comprenant un générateur de tension continue et un tel système de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu, le système de conversion étant connecté en sortie du générateur. On connaît du document US 6,411,527 B1 un système de conversion du type précité comprenant n onduleurs de tension connectés en série entre les deux bornes d'entrée, et pour chaque onduleur un transformateur de tension connecté en sortie de l'onduleur correspondant et un redresseur de tension connecté en sortie du transformateur correspondant. Chaque redresseur de tension comporte un pont de diodes. Plusieurs paires de redresseurs de tension sont connectées en parallèle entre les deux bornes de sortie, chaque paire de redresseurs de tension comportant deux redresseurs connectés en série entre les deux bornes de sortie. Toutefois, la commutation des diodes des redresseurs entraîne la présence d'une pluralité d'harmoniques d'amplitude importante dans le spectre de la tension en sortie du système de conversion. Le but de l'invention est de proposer un système de conversion permettant de réduire les harmoniques de la tension de sortie et du courant de sortie délivrés. A cet effet, l'invention a pour objet un système de conversion du type précité, caractérisé en ce que les lois de commutation de chacun des onduleurs sont déphasées l'une de l'autre. Suivant d'autres modes de réalisation, le système de conversion comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - les N onduleurs sont connectés en parallèle entre les deux bornes d'entrée, - les N redresseurs sont connectés en série entre les deux bornes de sortie, - les lois de commutation de chacun des onduleurs sont de même fréquence, - le déphasage entre les lois de commutation de deux onduleurs successifs est égal à 180 °/N, - la loi de commutation comporte, pour chaque phase de sortie de l'onduleur, une première demi-période au cours de laquelle la borne de sortie de la phase correspondante est connectée à une borne d'entrée et une deuxième demi-période au cours de laquelle la borne de sortie de la phase correspondante est connectée à l'autre borne d'entrée, la période formée de la première demi-période et de la deuxième demi- période étant égale à l'inverse de la fréquence de la tension alternative en sortie de l'onduleur correspondant, - le redresseur de tension est propre à permettre la circulation du courant de manière unidirectionnelle depuis le transformateur vers les bornes de sortie du système, - le système comprend en outre un filtre passif connecté entre les redresseurs de tension et les deux bornes de sortie, le filtre passif comportant une bobine électromagnétique et un condensateur, - l'onduleur comporte deux modules de commutation formant un pont en H. L'invention a également pour objet un réseau d'alimentation en courant électrique continu comprenant un générateur de tension continue et un système de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu, le système de conversion étant connecté en sortie du générateur, caractérisé en ce que le système de conversion est tel que défini ci-dessus. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un réseau d'alimentation selon l'invention comprenant un générateur de tension continue et un système de conversion d'un courant continu en un autre courant continu, le système de conversion étant connecté en sortie du générateur et comportant quatre onduleurs de tension connectés en parallèle, - la figure 2 est un ensemble de courbes représentant le déphasage des lois de commutation des quatre onduleurs de tension de la figure 1, - la figure 3 est une courbe représentant la tension en sortie du système de conversion de la figure 1, - la figure 4 est une représentation schématique du spectre de la tension en sortie d'un système de conversion de l'état de la technique, et - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4 pour le système de conversion selon l'invention. L'invention s'applique en particulier à un réseau électrique éolien, ou hydrolien, disposé notamment en mer, ou encore à un réseau électrique sous-marin. Sur la figure 1, un réseau d'alimentation en courant électrique continu 10 comprend un générateur de tension continue 12, un système 14 de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu et une liaison 15 de transmission du courant continu à des équipements électriques, non représentés, connectés sur le réseau, la liaison de transmission 15 étant connectée en sortie du système de conversion 14. Le générateur 12 est propre à délivrer un courant continu présentant, par exemple, une tension sensiblement égale à 1 kV et une intensité sensiblement égale 8000 A. Le générateur 12 comporte, par exemple, la génératrice d'une éolienne. En variante, le générateur 12 comporte la génératrice d'une centrale hydraulique de production d'électricité. Le système de conversion 14 comprend deux bornes d'entrée 16, deux bornes de sortie 18, N onduleurs de tension 20 connectés entre les deux bornes d'entrée, N étant supérieur ou égal à 2, et des moyens 21 de commande des onduleurs. Le système de conversion 14 comprend, pour chaque onduleur 20, un transformateur de tension 22 connecté en sortie de l'onduleur correspondant et un redresseur de tension 24 connecté en sortie du transformateur correspondant. Autrement dit, le système de conversion 14 comprend N onduleurs de tension 20, N transformateurs 22 et N redresseurs 24. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, N est égal à 4, et les quatre onduleurs de tension 20 sont connectés en parallèle entre les deux bornes d'entrée 16. Les quatre redresseurs de tension 24 sont connectés en série entre les deux bornes de sortie 18. En complément, le système de conversion 14 comprend un filtre passif 26 connecté entre les redresseurs de tension 24 et les deux bornes de sortie 18. La tension du courant continu délivré sur la liaison de transmission 15 connectée aux bornes de sorties 18 est, par exemple, une haute tension, c'est-à-dire une tension présentant une valeur supérieure à 1,5 kV, de préférence supérieure à 10 kV. La liaison de transmission 15 est particulièrement adaptée au transport d'énergie à longue distance, la liaison de transmission 15 étant, par exemple, agencée de manière souterraine ou sous-marine. Chaque onduleur de tension 20 comporte deux bornes d'entrée 28, des interrupteurs électroniques commandables 30 propres à convertir une tension continue d'entrée en une tension alternative de sortie, et une borne de sortie 32 pour chaque phase de la tension alternative de sortie. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, chaque onduleur de tension 20 est un onduleur monophasé et comporte deux modules de commutation 34 formant un pont en H. Chaque module 34 est connecté entre les bornes d'entrée 28 de l'onduleur et comporte deux interrupteurs 30 connectés en série. Chaque borne de sortie 32 de l'onduleur correspond au point milieu entre les interrupteurs de chaque branche de commutation 34. Dans le cas d'un onduleur monophasé, une borne de sortie 32 correspond à la phase, et l'autre borne de sortie 32 correspond au neutre. En variante, chaque onduleur de tension 20 est un onduleur polyphasé. Les moyens de commande 21 sont propres à commander les interrupteurs électroniques 30 des onduleurs, chaque onduleur 20 étant associé à une loi de commutation 35A, 35B, 35C, 35D respective, visible sur la figure 2. Les moyens de commande 21 comportent des moyens, non représentés, de génération des signaux de commande des interrupteurs électroniques 30. Les lois de commutation 35A, 35B, 35C, 35D de chacun des onduleurs 20 sont déphasées l'une de l'autre, comme représenté sur la figure 2. Le déphasage entre les lois de commutation de deux onduleurs 20 successifs est, par exemple, égal à 180°/ N, où N représente le nombre d'onduleurs 20. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, le déphasage entre les lois de commutation de deux onduleurs 20 successifs est égal à 45°. En d'autres termes, le déphasage entre la loi de commutation 35A d'un premier onduleur et la loi de commutation 35B d'un deuxième onduleur est égal à 45°, le déphasage entre la loi de commutation 35B du deuxième onduleur et la loi de commutation 35C d'un troisième onduleur est égal à 45°, et le déphasage entre la loi de commutation 35C du troisième onduleur et la loi de commutation 35D d'un quatrième onduleur est égal à 45°. Le déphasage entre la loi de commutation 35A du premier onduleur et la loi de commutation 35C du troisième onduleur est égal à 90°, et le déphasage entre la loi de commutation 35A du premier onduleur et la loi de commutation 35D du quatrième onduleur est égal à 135°. L'homme du métier comprendra que les déphasages, exprimés ci-dessus en degrés, peuvent également être exprimés en radians, 2 x n radians étant égal à 360°. L'homme du métier comprendra également que les déphasages entre les lois de commutation exprimés ci-dessus de manière angulaire peuvent être exprimés de manière temporelle en divisant lesdits déphasages exprimés en radians par une pulsation w, la pulsation w étant égale à 2 n x F rad / secondes, où F représente la fréquence de la loi de commutation. Les lois de commutation 35A, 35B, 35C, 35D de chacun des onduleurs 20 sont, par exemple, de même fréquence. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, les lois de commutation de chacun des onduleurs 20 sont des lois de commutation en pleine onde. Autrement dit, chaque loi de commutation 35A, 35B, 35C, 35D comporte, pour chaque phase de sortie de l'onduleur 20, une première demi-période 36A au cours de laquelle la borne de sortie 32 de la phase correspondante est connectée à une borne d'entrée 28 et une deuxième demi-période 36B au cours de laquelle la borne de sortie 32 de la phase correspondante est connectée à l'autre borne d'entrée 28, la période T formée de la première demi-période 36A et de la deuxième demi-période 36B étant égale à l'inverse de la fréquence de la tension alternative en sortie de l'onduleur. La tension représentée en ordonnée pour les lois de commutation de la figure 2 est exprimée en unité de tension ou pu (de l'anglais per unit), l'unité de tension étant, par exemple, égale à 1 kV. Chaque transformateur de tension 22 comporte un enroulement primaire 37 et un enroulement secondaire 38, l'enroulement primaire 37 étant connecté aux bornes de sortie 32 de l'onduleur correspondant, et l'enroulement secondaire 38 étant connecté à l'entrée du redresseur 24 correspondant. Chaque transformateur de tension 22 présente une inductance de fuite 39. Chaque transformateur 22 est connecté directement en sortie de l'onduleur 20 correspondant. Chaque redresseur de tension 24 est propre à permettre la circulation du courant de manière unidirectionnelle depuis le transformateur 22 vers les bornes de sortie 18 du système. Chaque redresseur 24 comporte, par exemple, un pont de diodes 40. Le filtre passif 26 comporte une bobine électromagnétique 44 connectée entre les redresseurs de tension 24 en série et une borne de sortie 18, et deux condensateurs 46 connectés en série entre les deux bornes de sortie 18. Les deux condensateurs 46 sont reliés entre eux par un point milieu 48. Le point milieu 48 est, par exemple, connecté à une masse électrique 50. Le système de conversion de l'état de la technique générant une pluralité d'harmoniques d'amplitude importante dans le spectre de la tension en sortie, un filtre passif est généralement prévu en sortie du système de conversion de l'état de la technique. Le filtre passif de l'état de la technique comporte une bobine électromagnétique présentant, par exemple, une inductance de l'ordre de 15 mH et deux condensateurs présentant une capacité de l'ordre de 100 µF. Le système de conversion selon l'invention permettant de réduire les harmoniques du courant de sortie et de la tension de sortie délivrés, comme cela sera explicité par la suite, l'inductance de la bobine 44 est inférieure à 2,5 mH, par exemple égale à 1,5 mH, et la capacité des condensateurs 46 est inférieure à 50 µF, par exemple égale à 25 µF, le courant en sortie du système de conversion 14 présentant une tension sensiblement égale à 10 kV et une intensité sensiblement égale à 800 A. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, la valeur de l'inductance de la bobine 44 est ainsi réduite d'un facteur 10, et celle de la capacité des condensateurs 46 est réduite d'un facteur 4, par rapport aux valeurs du filtre passif de l'état de la technique, les conditions de fonctionnement en tension et en intensité étant par ailleurs identiques entre l'état de la technique et l'invention. Le déphasage entre les lois de commutation 35A, 35B, 35C, 35D selon l'invention permet d'obtenir en sortie du système de conversion 14 une tension représentée par la courbe 60 sur la figure 3, qui ne chute pas à OV. La tension représentée en ordonnée pour la courbe 60 de la figure 3 est exprimée en unité de tension ou pu (de l'anglais per unit), l'unité de tension étant, par exemple, égale à 10 kV. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la tension oscille sensiblement entre 0,87 pu et 1,07 pu, et l'homme du métier comprendra que la valeur de la tension en sortie du système est variable d'une application à l'autre, et peut par exemple être inférieure à 1 pu. Le système de conversion selon l'invention est particulièrement adapté pour générer une tension continue de sortie entre les bornes 18 de valeur élevée, la valeur de la tension de sortie étant généralement nettement supérieure à celle de la tension d'entrée délivrée par le générateur 12. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le ratio entre la valeur de la tension de sortie et celui de la tension d'entrée est égal à 10. Sur la figure 4, la représentation spectrale de la tension délivrée par un système de conversion de l'état de la technique comporte un fondamental 70 et une pluralité d'harmoniques 71 à 82 correspondant à des multiples de fréquences de commutation. La présence de ces harmoniques à basse fréquence, notamment le premier harmonique 71 et le deuxième harmonique 72 entraînent d'importantes oscillations de la tension en sortie du système de conversion de l'état de la technique. Sur la figure 5, la représentation spectrale de la tension délivrée par le système de conversion 14 selon l'invention présente toujours un fondamental 100 d'amplitude sensiblement égale à 1pu, et des harmoniques 101, 102, 103. Le premier harmonique 101 pour la tension en sortie du système de conversion 14 selon l'invention correspond au quatrième harmonique 74 de la tension en sortie d'un système de conversion de l'état de la technique. Le système de conversion selon l'invention est adapté pour toute valeur de la fréquence fondamentale. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, la fréquence fondamentale de commutation est égale à 500Hz. Le système de conversion 14 selon l'invention permet de réduire fortement, voire de supprimer, les harmoniques qui ne sont pas un multiple de 2 x N fois la fréquence fondamentale de commutation. Autrement dit, les harmoniques résiduelles sont les harmoniques correspondant à un multiple de 2 x N fois la fréquence fondamentale de commutation, N étant le nombre d'onduleurs 20 et le facteur 2 correspondant au nombre de commutations par période. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, les harmoniques résiduelles sont ainsi les harmoniques multiples de 4 kHz, N étant égal à 4 et la fréquence fondamentale de commutation étant égale à 500Hz. Le système selon l'invention permet alors de réduire les oscillations de la tension délivrée en sortie aux bornes 18, ainsi que les pertes dans la ligne de transmission 15 dans le cas d'une application en haute tension, c'est-à-dire pour une tension supérieure à 1,5 kV, de préférence supérieure à 10 kV. La tension représentée en ordonnée pour les représentations spectrales des figures 4 et 5 est exprimée en unité de tension ou pu (de l'anglais per unit), l'unité de tension étant égale à la valeur choisie pour la tension continue de sortie entre les bornes 18, par exemple 10 kV. La mise en série des redresseurs de tension 24 entre les deux bornes de sortie 18 permet en outre d'augmenter la valeur de la tension continue délivrée en sortie du système de conversion 14 selon l'invention. Le filtre passif 26 permet également de réduire les harmoniques de la tension de sortie et du courant de sortie délivrés par le système de conversion 14. Le déphasage entre les lois de commutation 35A, 35B, 35C, 35D de chacun des onduleurs 20 permet de choisir des valeurs de l'inductance de la bobine 44 et de la capacité des condensateurs 46 plus faibles qu'en l'absence de déphasage, et de réduire alors l'encombrement et le coût du filtre passif 26. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, la valeur de 8 l'inductance de la bobine 44 est, comme indiqué précédemment, réduite d'un facteur dix, et celle de la capacité des condensateurs 46 est réduite d'un facteur quatre, par rapport aux valeurs du filtre passif en l'absence de déphasage entre les lois de commutation. Les transformateurs de tension 22 permettent d'augmenter la valeur de la tension délivrée en sortie du système de conversion par rapport à la tension fournie en entrée du système de conversion 14 par le générateur 12, tout en isolant la tension de sortie de la tension d'entrée. On conçoit ainsi que le système de conversion selon l'invention permet de réduire les harmoniques de la tension de sortie et du courant de sortie délivrés.10 REVENDICATIONS1.- Système (14) de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu, du type comprenant : - deux bornes d'entrée (16) et deux bornes de sortie (18), - N onduleurs de tension (20) connectés entre les deux bornes d'entrée, N étant supérieur ou égal à 2, chaque onduleur comportant deux bornes d'entrée (28), des interrupteurs électroniques commandables (30) propres à convertir une tension continue d'entrée en une tension alternative de sortie, et une borne de sortie (32) pour chaque phase de la tension alternative de sortie, - des moyens (21) de commande des interrupteurs électroniques des onduleurs, chaque onduleur étant associé à une loi de commutation, et pour chaque onduleur (20), - un transformateur de tension (22) connecté en sortie de l'onduleur correspondant, et - un redresseur de tension (24) connecté en sortie du transformateur correspondant, les N redresseurs (24) étant connectés entre les deux bornes de sortie, caractérisé en ce que les lois de commutation (35A, 35B, 35C, 35D) de chacun des onduleurs (20) sont déphasées l'une de l'autre. 2.- Système (14) selon la revendication 1, dans lequel les N onduleurs (20) sont connectés en parallèle entre les deux bornes d'entrée (16). 3.- Système (14) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les N redresseurs (24) sont connectés en série entre les deux bornes de sortie (18). 4.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les lois de commutation (35A, 35B, 35C, 35D) de chacun des onduleurs sont de même fréquence. 5.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le déphasage entre les lois de commutation (35A, 35B, 35C, 35D) de deux onduleurs (20) successifs est égal à 180°/N. 6.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la loi de commutation (35A, 35B, 35C, 35D) comporte, pour chaque phase de sortie de l'onduleur, une première demi-période (36A) au cours de laquelle la borne de sortie de la phase correspondante est connectée à une borne d'entrée et une deuxième demi-période (36B) au cours de laquelle la borne de sortie de la phase correspondante est connectée à l'autre borne d'entrée, la période (T) formée de la première demi-période(36A) et de la deuxième demi-période (36B) étant égale à l'inverse de la fréquence de la tension alternative en sortie de l'onduleur (20) correspondant. 7.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le redresseur de tension (24) est propre à permettre la circulation du courant de manière unidirectionnelle depuis le transformateur (22) vers les bornes de sortie (18) du système. 8.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un filtre passif (26) connecté entre les redresseurs de tension (24) et les deux bornes de sortie (18), le filtre passif (26) comportant une bobine électromagnétique (44) et un condensateur (46). 9.- Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'onduleur (20) comporte deux modules de commutation (34) formant un pont en H. 10.- Réseau d'alimentation en courant électrique continu (10) comprenant un générateur de tension continue (12) et un système (14) de conversion d'un courant électrique continu en un autre courant électrique continu, le système de conversion (14) étant connecté en sortie du générateur (12), caractérisé en ce que le système de conversion (14) est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.