Brevet FR3131131A1 — publié le 20230623

Module de conversion comprenant un circuit de récupération d’énergie électrique. 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. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Module de conversion comprenant un circuit de récupération d’énergie électrique 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-Commutated 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. 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. 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 entrainant 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. 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 : La illustre un module de conversion selon l’invention ; La illustre une chaine de conversion selon l’invention, comprenant une pluralité de module de conversion selon la ; La illustre l’évolution dans le temps de grandeurs associées au module de conversion de la , lors de son démarrage ; La illustre l’évolution dans le temps de grandeurs associées au module de conversion de la , lors de son fonctionnement ; et La illustre un convertisseur à courant continu haute tension selon l’invention. 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. 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). 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). 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. 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). 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). 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. 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. 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. Module de conversion selon la revendication 9 , dans lequel le montage redresseur (32) comprend un pont de diodes comprenant quatre diodes (D 1 ,D 2 ,D 3 ,D 4 ), 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 .