Brevet FR2999828A1 — publié le 20140620

CONVERTISSEUR DE PUISSANCE A ARCHITECTURE EVOLUTIVE POUR GESTION DU. FLUX D'ENERGIE DE LARGE PUISSANCE ENTRE UNE SOURCE DE COURANT CONTINU ET UNE SOURCE DE COURANT .ALTERNATIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie de large puissance, par exemple dans une gamme allant de 1 à 10 mégawatt, entre une source de courant continu et une source de courant alternatif. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine de la conversion de puissance, une première solution de l'art connu consiste à disposer en parallèle des composants semiconducteurs pour augmenter le calibre de la batterie en courant. Ainsi la figure lA illustre la mise en parallèle de composants semi-conducteurs 10 pour réaliser un convertisseur courant continu-courant alternatif ou « continu-alternatif » (DC/AC) 13. Comme illustré sur la figure 1, ce convertisseur continu- alternatif (DC/AC) 13 est situé entre un ensemble de stockage (batterie) courant continu (DC) 11 et un réseau alternatif 12 au moyen d'une inductance de lissage 14, d'un transformateur réseau 15 et d'un interrupteur 16. De plus, un filtre batterie 17 est disposé en entrée de ce convertisseur 13 et un filtre. réseau 18 est disposé en entrée du transformateur réseau 15.. Ainsi, pour chaque calibre de l'ensemble de stockage 11, il existe un convertisseur associé constitué soit d'un composant semi-conducteur propre, soit d'un ensemble de composants semi-conducteurs disposés en parallèle. Cette première solution de l'art connu présente les limitations suivantes : - La distribution du courant sur chacun des composants semi-conducteurs n'est pas identique. 10 - La commande des composants semi- conducteurs nécessite une commande (« driver ») particulière complexe, avec difficulté d'assurer la simultanéité. La fréquence de commutation des 15 composants semi-conducteurs de forte puissance est souvent lente, les convertisseurs générant des ondulations de grande amplitude, un filtrage volumineux étant donc nécessaire. - Une augmentation de la fréquence de 20 commutation des convertisseurs peut être appliquée pour diminuer le filtrage mais cela entraîne de fortes pertes par commutation. Une seconde solution de l'art connu consiste à disposer en parallèle des convertisseurs 25 continu-alternatif (DC/AC) 13, 13', en utilisant classiquement un bus courant continu (DC) commun, comme illustré sur la figure 2. Cette seconde solution de l'art connu présente les limitations suivantes : 30 - La distribution des courants I est mal répartie entre les convertisseurs 13 et 13' . - Une synchronisation parfaite est nécessaire, sinon il y a circulation de courants entre les convertisseurs. Une troisième solution de l'art connu consiste à utiliser des convertisseurs continu-alternatif (DC/AC) propres pour chaque puissance, ces convertisseurs ayant une topologie complexe multiniveaux, comme illustré sur la figure 3. Cette troisième solution de l'art connu 10 présente les limitations suivantes : - Les convertisseurs multi-niveaux se révèlent complexes à piloter et la distribution des efforts n'est pas répartie d'une façon homogène sur tous les composants semi-conducteurs. 15 - Les topologies utilisées ne sont pas adaptées pour des tensions relativement basses, par exemple inférieures à 1 kilovolt courant continu (DC). - Cette solution peut diminuer la disponibilité de la fonction stockage d'énergie au 20 premier défaut. Pour pallier aux inconvénients des solutions de l'art connu, l'invention a pour objet de proposer un convertisseur de puissance à architecture évolutive permettant à la fois : 25 - de faire évoluer la puissance en utilisant toujours une même structure de base, - de changer facilement de puissance de batterie et d'assurer la fonction de charge et décharge toujours de la même manière, 30 - d'utiliser une structure de base simple, évolutive en puissance et compacte permettant des performances élevées, avec des ondulations du courant réduites et un fort rendement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie entre une source de courant continu, par exemple une batterie, et une source de courant alternatif, caractérisé par au moins deux structures de base connectées entre elles du côté courant continu et du côté courant alternatif, sans liaison par bus courant continu, au moyen d'un entrelacement des liaisons du côté courant continu et du côté courant alternatif. Avantageusement chaque structure de base comporte : - une inductance courant continu, - un convertisseur continu-continu, - un convertisseur continu-alternatif, - une inductance courant alternatif, - un filtre courant continu en entrée de cette au moins une structure de base, - un filtre courant alternatif en sortie de cette au moins une structure de base, suivi d'un transformateur réseau, et - une unité de commande de la au moins une structure de base. Avantageusement le convertisseur de l'invention comprend plusieurs structures de base 30 disposées en parallèle. Avantageusement les entrées des structures de base disposées en parallèle sont entrelacées et les sorties des structures en cascade disposées en parallèle sont également entrelacées. Le réseau alternatif peut être un réseau monophasé ou triphasé. La gamme de puissance est comprise entre 2 et 10 mégawatt. Avantageusement l'invention réalise un entrelacement équidistant et symétrique des parties DC et les parties courant alternatif des structures de base sans relier leurs bus courant continu respectifs dans le but de pouvoir augmenter la puissance en modifiant le nombre de structures de base en parallèle. Le dispositif de l'invention présente ainsi les avantages suivants : - A partir d'une structure de base et d'une granularité de puissance, on peut, par mise en parallèle et avec un entrelacement, répondre à une large gamme de puissance de batterie. - Les courants côté courant continu et côté 20 courant alternatif sont parfaitement équirépartis. - Un entrelacement des entrées et sorties permet un filtrage compact et très performant côté DC et côté courant alternatif. - Il n'y a pas de courants de circulation 25 entre les convertisseurs. - Un bus courant continu commun n'est pas nécessaire, ce qui assure une conception plus sûre en cas de défaut à la terre, par exemple par décharge d'un banc de capacité de grande énergie. 30 - La plage de tension de batterie est étendue. - En cas de perte d'une des structures de base, on peut continuer à assurer la fonction de stockage d'énergie électrochimique en. mode dégradé. - Le fait de réaliser une structure évolutive en puissance permet d'aborder différents projets avec une structure de base et des coûts réduits. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1 et lA illustrent une première solution de l'art connu. La figure 2 illustre une seconde solution de l'art connu. La figure 3 illustre une troisième solution de l'art connu. La figure 4 illustre une structure de base selon l'invention. La figure 5 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention comprenant 20 plusieurs structures de base en parallèle. Les figures 6, 7A-7E, 8A, 8E, 9 et 9A illustrent un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la suite de la description, des éléments analogues entre eux sont représentés avec la même référence. Le dispositif de l'invention, illustré sur 30 la figure 4, est un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie de large puissance entre une source courant continu (DC), et une source courant alternatif (AC), dans lequel on gère la source courant continu ou ensemble de stockage, 11 séparément de la source courant alternatif, ou réseau alternatif, 12 en utilisant une structure de base 25, dans le but de permettre une mise en parallèle facile. Cette structure de base 25, pilotée par une unité de commande 24, comprend un convertisseur courant continu-courant continu ou continu-continu » (DC/DC) 20 et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21 reliés par un bus DC 22. Le convertisseur continu-continu (DC/DC) 20 est un convertisseur bidirectionnel (pont complet ou demi-pont ou multi niveau continu-continu (DC/DC) relié à l'ensemble de stockage 11 au moyen d'une inductance courant continu 23. Le convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21 est relié au réseau alternatif 12 au moyen d'une inductance de lissage 14. Ce convertisseur peut avoir une structure en demi-pont, qui se prêté parfaitement pour réaliser une fonction abaisseur élévateur (hacheur) et aussi pour une fonction onduleur. La figure 4 illustre l'exemple d'une 25 structure « back to-back » pour une gamme de puissance proche du mégawatt. Mais une telle structure n'est pas restrictive. Dans cet exemple, on peut appliquer un décalage équiréparti des porteuses des MLI (modulation de largeur d'impulsions) de chacun des convertisseurs 30 continu-continu (DC/DC) et à l'intérieur de la structure de base. Cette figure 4 illustre ainsi successivement : - l'ensemble de stockage 11 constitué par une batterie de large capacité en puissance, - un filtre courant continu 17, - une structure de base 25 comprenant - une inductance courant continu 23, - un convertisseur continu-continu (DC/DC) 20 bidirectionnel (abaisseur - élévateur) 20, - un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21, monophasé ou triphasé, - une inductance de lissage 14, - un filtre courant alternatif 18, - un transformateur réseau 15 monophasé ou 15 triphasé. La figure 5 illustre la mise en parallèle de plusieurs structures de base 25, 25' et 25" selon l'invention. La mise en parallèle de plusieurs convertisseurs continu-continu (DC/DC) 20, 20' et 20 20'' au moyen d' inductances 23, 23' et 23" (plusieurs demi-ponts) permet ainsi d'augmenter les courants d'entrée et de sortie sans paralléliser des composants. En dotant chaque convertisseur continu-continu (DC/DC) élémentaire de sa propre inductance, on peut : 25 - décaler de façon optimale les commutations des convertisseurs continu-continu (DC/DC) entre eux, ce qui permet de minimiser le volume global des inductances, à taux d'ondulation du courant de sortie donné ; 30 - équilibrer presque parfaitement les courants des convertisseurs continu-continu (DC/DC) entre eux et ainsi ne pas avoir à déclasser la capacité des convertisseurs continu-continu (DC/DC), ce qui est nécessaire avec la mise en parallèle directe. De la même manière, plusieurs convertisseurs alternatif-continu (AC/DC) 21, 21' et 21" sont mis en parallèle au moyen des inductances de lissage 14, 14' et 14" en monophasé ou triphasé. La figure 5 montre le principe d'évolution en puissance à partir de la structure de base illustrée sur la figure 10 4, pour une batterie de l'ordre du mégawatt. La figure 6 illustre un second mode de réalisation basé sur une structure « back to back » pour des batteries de plusieurs mégawatt dans lequel on complète la mise en parallèle illustrée sur la figure 5 15 par un entrelacement des entrées courant continu (DC) et sorties courant alternatif (AC). L'entrelacement se fait d'une façon rigoureuse du côté courant alternatif (AC). L'entrelacement du côté courant continu (DC) peut être moins précis que celui du courant alternatif (AC). 20 Mais un entrelacement précis est préférable. L'unité de commande 24 envoie des signaux de commande précisément positionnés dans le temps, afin de synchroniser les convertisseurs côté courant alternatif (AC) et côté courant continu (DC). Les 25 figures 7A-7E donnent un exemple d'entrelacement côté courant continu (DC), et notamment : - le courant de trois demi-bras continu-continu (DC/DC), pour une première structure de base (Figure 7A), - le courant de trois demi-bras continu-continu (DC/DC), pour une seconde structure de base (Figure 7E). - le courant de trois demi-bras continu-5 continu (DC/DC), pour une troisième structure de base (Figure 70), - la somme des courants batteries, pour trois convertisseurs continu-continu (DC/DC) (Figure 7D), 10 - l'ondulation résultante du courant batterie (Figure 7E). Pour le côté courant alternatif, c'est la même technique. La figure 8A illustre une superposition des courants alternatifs. La figure 8E illustre la 15 résultante des courants alternatifs sans filtrage. Les figures 9 et 9A illustrent une solution testée sur un démonstrateur 500 kW de stockage d'énergie avec des batteries Li-ion et des batteries NaS. L'architecture utilisée correspond à la structure 20 de base du dispositif de l'invention comprenant un convertisseur continu-continu (DC/DC) 30 et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 31 situés entre la batterie 32 (500 Vdc) et le réseau AC 33 (500 Vac), des enroulements triphasés 34 et 35 étant 25 disposés en entrée et en sortie, une capacité étant disposée entre un convertisseur continu-continu (DC/DC) et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC). Sur la figure 9A, les courbes 36 correspondent aux courants des bobinages courant continu 34. La superposition des 30 courants de ces bobinages courant continu 34 a comme résultat le courant 37 avec une ondulation réduite. Ceci explique le principe d'entrelacement entre les convertisseurs continu-continu (DC/DC) d'une structure de base et par conséquent le principe d'entrelacement entre les structures de base. La référence 38 représente l'ondulation résultante du courant batterie. REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie 5 entre une source courant continu (11) et une source courant alternatif (12), caractérisé par au moins deux structures de base (25) connectées entre elles du côté courant alternatif et du côté courant continu, sans liaison par bus courant continu, au moyen d'un 10 entrelacement des liaisons du côté courant alternatif et du côté courant continu, et en ce que chaque structure de base (25) comprend : - une inductance courant continu (23), - un convertisseur continu-continu (20), 15 - un convertisseur continu-alternatif (21), - une inductance courant alternatif (14), - un filtre courant continu (17) en entrée 20 de cette au moins une structure de base (25), - un filtre courant alternatif (18) en sortie de cette au moins une structure de base (25), suivi d'un transformateur réseau (15), et - une unité de commande de la au moins une 25 structure de base (25). 2. Convertisseur selon la revendication 1 comprenant plusieurs structures de base (25, 25', 25") disposées en parallèle. 3. Convertisseur selon la revendication 3 dans lequel les entrées des structures de base disposées en parallèle sont entrelacées. 4. Convertisseur selon la revendication 3 dans lequel les sorties des structures de base disposées en parallèle sont entrelacées. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le réseau alternatif est un réseau monophasé ou triphasé. 6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la gamme de puissance est comprise entre 2 et 10 mégawatt.