Brevet FR3116965A1 — publié le 20220603

Procédé de commande d’un convertisseur alternatif-continu de type MMC, convertisseur alternatif-continu de type MMC, comprenant une étape de détermination d’un courant traversant une valve à VSC (106-a) du convertisseur, la valve à VSC (106-a) comprenant une pluralité de modules (201-1 à 201-N), une étape de détermination d’une évolution d’une charge de la valve à VSC (106-a) et une étape de sélection de modules (201-1 à 201-N) à activer, réalisée lorsqu’un signe du courant change ou lorsqu’une valeur absolue de l’évolution de la charge dépasse un seuil. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Procédé de commande d’un convertisseur alternatif continu de type MMC, convertisseur alternatif continu de type MMC et produit programme d’ordinateur DOMAINE DE L'INVENTION L’invention concerne le domaine des dispositifs de conversion d’énergie pour les applications industrielles. Plus particulièrement elle concerne les dispositifs permettant la conversion d’un courant électrique alternatif en un courant électrique continu et vice versa. Ces dispositifs de conversion d’un courant électrique alternatif en un courant électrique continu sont aussi connus sous l’expression « convertisseurs alternatifs-continus ». ETAT DE LA TECHNIQUE Les convertisseurs alternatifs-continus sont utilisés dans les réseaux d’énergie électrique, en particulier dans le cadre des liaisons de type courant continu haute tension (HVDC pour « High Voltage Direct Current » en terminologie anglaise), par exemple pour relier des sources d’énergies renouvelables (EnR). La représente un convertisseur alternatif-continu de type convertisseur modulaire multiniveaux (MMC ou « Modular Multilevel Converter » en terminologie anglaise). Ce convertisseur comprend une première interface 101-a reliée à un réseau électrique transportant un courant alternatif et une deuxième interface 101-b reliée à un réseau électrique transportant un courant continu. Par exemple, la première interface 101-a est reliée à un réseau triphasé comprenant trois phases. Chaque phase du réseau triphasé est reliée à deux bras du convertisseur, incluant un bras supérieur (noté 102-a pour la phase 1, 102-b pour la phase 2 et 102-c pour la phase 3) et un bras inférieur (noté 103-a pour la phase 1, 103-b pour la phase 2, 103-c pour la phase 3). Les bras inférieurs et supérieurs comprennent chacun une inductance (notée 104-a pour le bras supérieur de la phase 1 et 105-a pour le bras inférieur de la phase 1 ; 104-b pour le bras supérieur de la phase 2 et 105-b pour le bras inférieur de la phase 2 ; 104-c pour le bras supérieur de la phase 3 et 105-c pour le bras inférieur de la phase 3). Les bras inférieurs et supérieurs comprennent chacun une valve à convertisseur de source de tension (VSC) (notée 106-a pour le bras supérieur de la phase 1 et 107-a pour le bras inférieur de la phase 1, 106-b pour le bras supérieur de la phase 2 et 107-b pour le bras inférieur de la phase 2, 106-c pour le bras supérieur de la phase 3 et 107-c pour le bras inférieur de la phase 3). Ces valves à VSC sont des dispositifs générant une tension commandable à leurs bornes. Toutes les valves à VSC d’un même convertisseur sont généralement identiques. La présente une valve à VSC, elle comprend N modules notés de 201-a à 201-N. Ces modules sont placés en série et comprennent un condensateur C, dont la tension à ses bornes est notée Vcell,i où i est la référence du module. Ces modules comprennent une cellule de commutation 202-i qui comprend un premier interrupteur 203-i et un deuxième interrupteur 204-i, ayant des états complémentaires. Le premier interrupteur 203-i est placé en série du condensateur C et le deuxième interrupteur 204-i est placé en parallèle du condensateur C et le premier interrupteur 203-i. La cellule de commutation 202-i est placée en parallèle du condensateur C. Chaque valve à VSC peut comprendre jusqu’à 400 modules. La commande des interrupteurs 203-i et 204-i du dispositif de commutation 202-i permet d’intégrer les condensateurs de tout ou partie des modules 201-i de la valve à VSC. Cette commande permet donc de faire varier la tension V a aux bornes de la valve. En effet, la tension aux bornes de la valve à VSC est égale à la somme des tensions des condensateurs pour lesquels l’interrupteur 203-i est fermé, c’est-à-dire la somme des tensions des condensateurs pour lesquels l’interrupteur 204-i est ouvert par complémentarité. Selon le signe du courant i a traversant la valve à VSC, les modules activés de la valve en question seront en phase de chargement si le courant est positif ou de déchargement si le courant est négatif. Lorsqu’un module est en phase de chargement, la tension aux bornes des condensateurs intégrés augmente. Inversement, en phase de déchargement, la tension aux bornes des condensateurs intégrés diminue. Ainsi afin de garder une tension cible aux bornes de tous les modules, il est nécessaire de modifier régulièrement les condensateurs qui sont intégrés dans la valve à VSC en commutant tout ou partie des interrupteurs. Le bon fonctionnement du convertisseur repose sur fait que les tensions aux bornes des condensateurs de la valve à VSC soient proches les unes des autres. Afin d’augmenter le rendement du convertisseur alternatif-continu, il est également nécessaire de limiter le nombre de commutations des interrupteurs. Il y a donc un besoin pour un procédé de commande des interrupteurs des modules d’une valve à VSC qui minimise les commutations et qui permette aux tensions aux bornes des condensateurs d’être proches les unes des autres. A cet effet on prévoit, selon l'invention, un procédé de commande d’un convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant une étape de détermination d’un courant traversant une valve à VSC du convertisseur, la valve à VSC comprenant une pluralité de modules, une étape de détermination d’une évolution d’une charge de la valve à VSC et une étape de sélection de modules à activer, réalisée lorsqu’un signe du courant change ou lorsqu’une valeur absolue de l’évolution de la charge dépasse un seuil. Ce procédé de commande permet d'espacer temporellement la commande de la commutation des interrupteurs de manière réglable, tout en minimisant les opérations de calcul à chaque période d'échantillonnage. Cet intervalle de temps dépend de la plage autorisée de l’évolution de la charge des modules et donc du niveau de puissance transmise. Cela permet de faire évoluer automatiquement la fréquence de commutation avec la puissance transmise. Cela apporte également de la flexibilité d'utilisation lorsque la puissance transmise peut varier de zéro jusqu’à la puissance maximale du convertisseur. La réduction de la fréquence de commutation des interrupteurs, compris dans les modules, permet d’augmenter le rendement du convertisseur. L'avantage principal est d'augmenter le rendement de l'installation, ce qui est essentiel lorsque la puissance avoisine 1 GW. De plus, les commutations des interrupteurs sont réalisées en fonction de la charge ou décharge des condensateurs, ce qui permet de contrôler les écarts entre les tensions des différents condensateurs. Dans un mode de réalisation, l’étape de sélection des modules à activer comprend lorsque le courant est positif, une sous-étape de sélection des modules à activer ayant la tension la plus basse et dont une somme des tensions est la plus proche d’une tension de commande, et lorsque le courant est négatif, une sous-étape de sélection des modules à activer ayant la tension la plus haute et dont une somme des tensions est la plus proche de la tension de commande. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, une étape de réinitialisation (304) de l’évolution de la charge. L’étape de sélection (305) des modules à activer comprend une activation des modules à activer et une désactivation des autres modules. Dans un mode de réalisation, l’étape de sélection comprend une commande d’un dispositif de commutation des modules afin de connecter ensemble des condensateurs des modules à activer et de déconnecter les condensateurs des autres modules. Dans un mode de réalisation on détermine le seuil à partir d’une capacité d’un condensateur des modules, d’une ondulation maximale de tensions de la valve à VSC et d’un coefficient α permettant de faire varier le seuil. Un autre aspect de l’invention concerne un convertisseur alternatif continu de type MMC comprenant des valves à VSC, la valve à VSC comprenant une pluralité de modules, le convertisseur comprenant une unité de commande configurée pour déterminer une évolution d’une charge de la valve à VSC et un courant traversant la valve à VSC. L’unité de commande est configurée pour sélectionner des modules à activer lorsque le courant change de signe ou lorsqu’une valeur absolue de l’évolution d’une charge dépasse un seuil de charge. Dans un mode de réalisation l’unité de commande est configurée pour lorsque le courant est positif, sélectionner les modules ayant la tension la plus basse et dont une somme des tensions est la plus proche d’une tension de commande, et lorsque le courant est négatif, sélectionner les modules ayant la tension la plus haute et dont une somme des tensions est la plus proche de la tension de commande. Dans un mode de réalisation, l’unité de commande est configurée pour, réinitialiser l’évolution et commander l’activation des modules à activer et la désactivation des autres modules. Dans un mode de réalisation, l’unité de commande est configurée pour commander un dispositif de commutation (202-1 à 202-N) des modules afin de connecter ensemble des condensateurs des modules à activer et de déconnecter les condensateurs des autres modules. Un autre aspect de l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande, lorsque celui-ci est exécuté par une unité de commande. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : La , présentée précédemment, illustre un convertisseur modulaire multiniveaux. La , présentée précédemment, illustre une valve à VSC d’un convertisseur modulaire multiniveaux. La présente le procédé de commande de l’invention, ainsi que l’étape de sélection 305 des modules à activer selon un aspect de l’invention. La illustre un exemple d’utilisation du procédé de commande de l’invention. La illustre l’évolution de la fréquence de commutation pour différents paramètres de réglage du seuil de charge maximum qc,max. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L’invention concerne donc un convertisseur alternatif-continu de type MMC, tel que représenté sur la . Ce convertisseur comprend une unité de commande chargée de la commande de l’ouverture et de la fermeture des interrupteurs 203-i et 204-i du dispositif de commutation 202-i des différents modules 201-i. L’unité de commande est un dispositif électronique, tel qu'un ordinateur, ou un dispositif électronique dédié. L’unité de commande comprend une unité de traitement et un dispositif de mémorisation. L’unité de traitement peut être un processeur ou un microcontrôleur à usage général ou spécifique pour commander les interrupteurs. Par exemple, le processeur peut être un circuit intégré spécifique à une application (Application-Specific Integrated Circuit pour ASIC en anglais) permettant la commande les interrupteurs. Le dispositif de mémorisation peut être fixe ou amovible et comporter différentes unités mémoires pouvant inclure une combinaison d’unités permettant un stockage volatil et non volatil. Le dispositif de mémorisation est configuré pour stocker un code logiciel utilisable par le processeur pour contrôler les interrupteurs des modules. Le convertisseur comprend également, pour chaque valve à VSC, un dispositif, par exemple un ampèremètre, de détermination d’un courant i a la traversant et pour chaque condensateur un dispositif, par exemple un voltmètre, de détermination de la tension V cell,i à ses bornes. La représente le procédé, mis en œuvre par l’unité de commande, de commande des modules. Ce procédé comprend : - une étape de détermination 301 d’un courant i a traversant la valve à VSC, - une étape de détermination 302 d’une évolution d’une charge q c . On peut réaliser l’étape de détermination 301 d’un courant avant l’étape de détermination 302 d’une évolution d’une charge ce qui permet de connaître le courant afin de déterminer l’évolution de la charge. Si le courant change de signe ou que la valeur absolue de l’évolution de la charge dépasse un seuil de charge, la condition 310 est remplie et le procédé comprend une étape de sélection 303 des modules de la valve à VSC susceptibles d’être activés. L’évolution de la charge q c est mise à jour à chaque période d’échantillonnage, elle est déterminée par la dernière itération de l’étape 302. De plus, suite à l’étape de détermination des modules susceptibles d’être activés 303, le procédé comprend une étape de réinitialisation 304 de l’évolution de la charge q c du cluster. Enfin, le procédé comprend une étape de sélection 305 des modules à activer. Cette étape comprend aussi l’activation des modules à activer et la désactivation des autres modules. L’activation d’un module 201-i est réalisée via le dispositif de commutation du module 202-i, plus particulièrement en ouvrant l’interrupteur 204-i et en fermant l’interrupteur 203-i du module 201-i. La désactivation d’un module201-i est réalisée en fermant l’interrupteur 204-1 et en ouvrant l’interrupteur 203-i du module 201-i. Ainsi les dispositifs de commutation 202-i permettent de connecter ensemble les condensateurs des modules à activer et de déconnecter les condensateurs des autres modules. La tension V a aux bornes de la valve est donc la somme des tensions V cell,i aux bornes des modules activés. La sélection 305 des modules à activer se base sur une tension de commande, continue, notée v ref , que doit générer la valve. Cette tension de commande v ref est numérisée puis normalisée par le nombre de modules N de la valve à VSC. On obtient ainsi un nombre de modules de référence n ref,k , qui correspond au nombre de modules que l'on doit activer parmi les N modules de la valve à VSC. Cela implique que N - n ref,k modules soient désactivés. On peut choisir plusieurs combinaisons de modules à activer pour que la valve génère la tension de commande v ref . Certains choix avantageux des modules à activer permettent de limiter la période de commutation des interrupteurs des modules, tout en ne modifiant pas le fonctionnement du convertisseur. L’étape de sélection 305 des modules à activer comprend : - si l’intensité i a est positive, une sous-étape de sélection 305-a des n ref,k modules dont une la tension, aux bornes du condensateur, est la plus basse et telle qu’une somme des tensions, aux bornes du condensateur des modules sélectionnés, soit la plus proche d’une tension de commande v ref , - si l’intensité i a est négative, une sous-étape de sélection 305-b des n ref,k modules dont la tension, aux bornes du condensateur, est la plus haute et telle qu’une somme des tensions, aux bornes du condensateur des modules sélectionnés, soit la plus proche de la tension de commande v ref . L’étape de sélection 305 des modules à activer peut aussi comprendre une sous-étape de détermination d’une tension V cell,i aux bornes du condensateur des modules. Si l’intensité i a est positive, alors les modules déjà activés sont en phase de chargement. Dans ce cas, les modules à activer sont ceux dont la tension aux bornes des condensateurs est la plus faible. Si l’intensité i a est négative, alors les modules déjà activés sont en phase de déchargement. Dans ce cas, les modules à activer sont ceux dont la tension aux bornes des condensateurs est la plus importante. Ainsi, la détermination des modules susceptibles d’être activés 303 et la sélection des modules à activer 305 réalisent une opération mathématique qui met à jour les modules à activer en fonction de l'ensemble des tensions des modules, du signe du courant traversant la valve à VSC et d’une tension de commande de la valve. L’évolution de la charge q c est calculée à chaque période d'échantillonnage, à partir de la valeur du courant dans la valve à VSC i a . En particulier l’évolution de la charge q c est égale à l’intégrale du courant traversant la valve. Cette évolution peut aussi être calculée en utilisant l’équation suivante : q c = CΔV cell où ΔV cell est une variation de tension et C la capacité nominale d’un module. La capacité nominale est la capacité théorique installée (sans vieillissement ou dispersion due à la fabrication) dans le module. Ainsi l’évolution de la charge q c est proportionnelle à la variation maximale de la tension des condensateurs ΔV cell depuis la dernière réalisation de l’étape de détermination de modules susceptibles d’être activés 303. Cette détermination de l’évolution de la charge q c est réalisée à une fréquence d’échantillonnage de quelques dizaines de kilohertz, soit une période d’échantillonnage de quelques dizaines de microsecondes. Cette évolution de la charge q c est le seul calcul qui est effectué à chaque période d'échantillonnage. Le seuil de charge correspond à l’évolution maximale de la charge depuis la dernière étape de réinitialisation de l’évolution de la charge 304. Ce seuil est noté q c,max et il vaut q c,max = αCΔv c (%)V DC /N, dans cette équation : - C est la capacité nominale d'un module, - N est le nombre de modules, - V DC est la tension entre les bornes du convertisseur à l’interface 101-a, - Δv c (%) est l'ondulation de tension relative maximale pour une fréquence de commutation infinie, c'est-à-dire l'ondulation de tension native due à l'architecture du convertisseur, - α est un coefficient sans unité, permettant de faire varier q c,max . La montre l’évolution de la fréquence de commutation pour différents paramètres de réglage du seuil de charge maximum qc,max. Les différents réglages sont obtenus en modifiant le coefficient α avec α=à,4 0,8 ou 1,2. L’axe des abscisses représente la puissance et l’axe des ordonnés la fréquence de commutation. De plus C est égal à 54 kJ/MV A, le nombre de modules N est égal à 256 et la profondeur de modulation ma est égale à 0.85. Le coefficient α dépend des paramètres du convertisseur, notamment : - la capacité installée dans le convertisseur, pouvant s'exprimer en kJ/MV A, - la profondeur de modulation m a , traduisant le rapport entre l’amplitude des tensions alternatives à l’interface 101-b et la tension entre les bornes du convertisseur à l’interface 101-a. - le profil P/Q du convertisseur, qui définit les plages d’évolution des puissances active P et réactive Q échangées à l’interface 101-b. α permet alors d'agir simultanément sur l'ondulation de tension maximale Δv c (%) et sur la fréquence de commutation des interrupteurs f sw et de sélectionner à chaque instant le compromis jugé le plus pertinent par l'utilisateur. Ainsi on peut facilement évaluer la valeur de q c,max à l'aide de paramètres clés du convertisseur, tels que V DC , N, C et Δv c (%). La illustre l’évolution de la charge qc, à travers différentes phases typiques parmi lesquelles : - au point 401 le courant i a est nul, ce qui signifie que l’évolution de la charge q c a été réinitialisée à zéro, - entre les points 401 et 402 (phase 1) le courant i a est positif, ce qui induit une augmentation de la charge q c , - au point 402 le courant i a repasse par zéro, ce qui correspond à un évènement qui remplit la condition 310, induisant la sélection des modules susceptibles d’être activés 303 puis l’activation des modules sélectionnés au travers de l’étape 305, de plus l’évolution de la charge q c est réinitialisée à zéro lors de l’étape 304, - entre les points 402 et 404 le courant i a demeure négatif, ce qui indique un déchargement des condensateurs des modules activés de la valve à VSC, - au point 403 la valeur absolue de l’évolution de la charge de la valve à VSC dépasse q c,max , ceci provoque l’étape de détermination des modules susceptibles d’être activés 303 puis une sélection et une activation de ces modules au travers de l’étape 305, l’évolution de la charge est remise à zéro lors de l’étape 304, - au point 404 et de manière identique à ce qui se passe au point 403, la valeur absolue de l’évolution de la charge de la valve dépasse q c,max , ceci provoque l’étape de détermination des modules susceptibles d’être activés 303, une activation des modules 305 et une réinitialisation de l’évolution de la charge q c de la valve 304. Ainsi l’aire balayée par l’intensité du courant i a est identique entre les points 402 et 403 et entre les points 403 et 404. - au point 405 le courant i a passe par zéro, ce qui entraîne une détermination des modules susceptibles d’être activés, une activation de ces modules et une réinitialisation de la charge q c de la valve à VSC avant que la valeur absolue de l’évolution de la charge atteigne q c,max . Procédé de commande d’un convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant : - une étape de détermination (301) d’un courant traversant une valve à VSC (106-a) du convertisseur, la valve à VSC (106-a) comprenant une pluralité de modules (201-1 à 201-N), - une étape de détermination (302) d’une évolution d’une charge de la valve à VSC (106-a) et - une étape de sélection (305) de modules (201-1 à 201-N) à activer, réalisée lorsqu’un signe du courant change ou lorsqu’une valeur absolue de l’évolution de la charge dépasse un seuil. Procédé selon la revendication 1, l’étape de sélection (305) des modules (201-1 à 201-N) à activer comprenant : - lorsque le courant est positif, une sous-étape de sélection (305-a) des modules (201-1 à 201-N) à activer ayant la tension la plus basse et dont une somme des tensions est la plus proche d’une tension de commande, et - lorsque le courant est négatif, une sous-étape de sélection (305-b) des modules (201-1 à 201-N) à activer ayant la tension la plus haute et dont une somme des tensions est la plus proche de la tension de commande. Procédé selon la revendication 1 ou 2 comprenant en outre une étape de réinitialisation (304) de l’évolution de la charge, l’étape de sélection (305) des modules (201-1 à 201-N) à activer comprenant une activation des modules (201-1 à 201-N) à activer et une désactivation des autres modules (201-1 à 201-N). Procédé selon la revendication 3, l’étape de sélection (305) comprenant une commande d’un dispositif de commutation (202-1 à 202-N) des modules (201-1 à 201-N) afin de connecter ensemble des condensateurs (C) des modules (201-1 à 201-N) à activer et de déconnecter les condensateurs (C) des autres modules (201-1 à 201-N). Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel on détermine le seuil à partir d’une capacité d’un condensateur (C) des modules (201-1 à 201-N), d’une ondulation maximale de tensions de la valve à VSC (106-a) et d’un coefficient α permettant de faire varier le seuil. Convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant une valve à VSC (106-a), la valve comprenant une pluralité de modules (201-1 à 201-N), le convertisseur comprenant une unité de commande configurée pour déterminer : - une évolution d’une charge de la valve à VSC (106-a) et - un courant traversant la valve à VSC (106-a), l’unité de commande étant configurée pour sélectionner des modules (201-1 à 201-N) à activer lorsque le courant change de signe ou lorsqu’une valeur absolue de l’évolution d’une charge dépasse un seuil de charge. Convertisseur selon la revendication 6, l’unité de commande étant configurée pour : - lorsque le courant est positif, sélectionner les modules (201-1 à 201-N) ayant la tension la plus basse et dont une somme des tensions est la plus proche d’une tension de commande, et - lorsque le courant est négatif, sélectionner les modules (201-1 à 201-N) ayant la tension la plus haute et dont une somme des tensions est la plus proche de la tension de commande. Convertisseur selon la revendication 6 ou 7, l’unité de commande étant configurée pour réinitialiser l’évolution d’une charge et commander l’activation des modules (201-1 à 201-N) à activer et la désactivation des autres modules (201-1 à 201-N). Convertisseur selon la revendication 8, l’unité de commande étant configurée pour commander un dispositif de commutation (202-1 à 202-N) des modules afin de connecter ensemble des condensateurs (C) des modules (201-1 à 201-N) à activer et de déconnecter les condensateurs (C) des autres modules (201-1 à 201-N). Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 5, lorsque celui-ci est exécuté par une unité de commande.