Brevet FR3129253A1 — publié le 20230519

L’invention porte sur un dispositif comportant : - un élément de stockage d’énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC associée, - un chargeur configuré pour charger l’élément de stockage lorsque l’élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à une tension DC supérieure à la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage, et - un ensemble de diodes défini par une valeur de tension seuil associée, l’ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l’élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes. Figure de l’abrégé : Figure 8 Booster de courant de court-circuit DC La présente divulgation relève du domaine des réseaux de distribution publics basse tension, en particulier la partie en courant continu (LVDC) et des usages LVDC. La présente divulgation porte en particulier sur un dispositif apte à renforcer la protection électrique de tels réseaux et sur un système comprenant un tel dispositif. L’intérêt pour les réseaux à courant continu augmente ces dernières années, en particulier dans les réseaux basse tension (BT) compte tenu du développement de récepteurs BT natifs en courant continu que ce soit dans la catégorie des producteurs (PV), des consommateurs (datacenter, véhicule électrique) voire d’autres usages (stockage stationnaire, micro-réseau, autoconsommation). Les principaux bénéfices de cette technologie étant une meilleure efficacité énergétique et un gain certain dans le Capex des câbles. Pour se raccorder à un réseau à courant continu, il est cependant nécessaire de recourir à des convertisseurs de puissance à base d’interrupteurs semiconducteurs. Se pose alors la problématique de la protection de ces matériels face aux défauts qui pourraient survenir sur le réseau. La représente schématiquement un circuit d’un convertisseur AC/DC (1) raccordé d’une part à un réseau AC (2) et d’autre part à un départ DC (3) qu’il alimente. Le départ DC comporte, au moins, des condensateurs de liaison de courant continu (4) intégrés au convertisseur AC/DC, des fusibles DC (5) à des fins de protection en cas de défaut électrique, un câble (6) qui peut être modélisé par une impédance fonction de la longueur du câble, et un appareil à alimenter électriquement (7), qui peut lui aussi être modélisé par une charge résistive. Les fusibles relèvent d’une technologie mature et éprouvée, peu chère et relativement simple. Par rapport à un réseau AC dont les matériels électrotechniques conventionnels (transformateur, inductances, etc) peuvent supporter un courant important pendant une durée compatible avec le temps de réaction des protections de type fusible ou disjoncteur (10 ms), les réseaux DC souffrent de plusieurs points faibles. Un premier point faible est que le courant de défaut ne passe pas par le zéro, rendant difficile une coupure par un disjoncteur. Un deuxième point faible est la dynamique très rapide de l’accroissement du courant de défaut (di/dit), plus sévère que dans les défauts AC. Un troisième point faible est que la capacité de surcharge et la tenue thermique des interrupteurs semi-conducteurs est plus faible que celles des matériels électrotechniques (1.2 pu). En se référant au circuit DC représenté sur la et en y supposant l’apparition d’un défaut électrique au niveau du câble (6), la montre une comparaison entre, d’une part, le temps de fusion de fusibles protégeant un départ 40 kW sous 750 V DC (c’est-à-dire avec un courant nominal égal 53 A) et, d’autre part, le temps de destruction des interrupteurs semiconducteurs, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et un point de référence assimilé à la position du convertisseur AC/DC. Plus spécifiquement, les courbes représentées sur la correspondent aux temps de fusion ou destruction : - d’un fusible DC 63A (10), - d’un fusible DC 80A (11), - d’un fusible 80A de classe gR (12), - d’un fusible 80A de classe aR (13), - d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à deux niveaux de type VSC2L (14), et - d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à trois niveaux de type NPC3L (15). Pour répondre à cette problématique, deux stratégies standard peuvent être suivies, éventuellement combinées. L’une est de développer un moyen de protection électronique suffisamment rapide pour interrompre le courant de défaut avant qu’il n’engendre des dégâts sur les convertisseurs. En l’occurrence, le délai requis est inférieur à 1 ms. L’un des moyens de protection connus est le disjoncteur électronique. Un tel dispositif est formé en associant en série un nombre suffisamment élevé d’interrupteurs semiconducteurs dimensionnés pour bloquer le courant de défaut à une échelle de temps de l’ordre de la commutation (10 µs). La montre un exemple d’un tel disjoncteur électronique, comprenant deux transistors bipolaires à grille isolée ou IGBT (30, 31), un élément de commande de grille (32) et un limiteur de surtension (33). Le chemin du courant en cas de défaut dans un disjoncteur électronique est représenté sur la . Cette technologie souffre de plusieurs inconvénients à commencer par les pertes en régime permanent dans les semi-conducteurs et le coût élevé. Des améliorations ont été introduites sur la topologie de base des disjoncteurs électroniques en associant, en parallèle des interrupteurs semi-conducteurs (30, 31), une partie purement électrotechnique (34), c’est-à-dire un interrupteur ultra rapide associé à un parafoudre. Une conséquence est de permettre un fonctionnement en régime nominal qui contourne les interrupteurs semi-conducteurs, comme représenté sur la . Cependant, la réponse en phase de défaut, représentée sur la , est alors ralentie, atteignant environ 5 ms (cf. nplcit1). L’autre stratégie standard est de surdimensionner les convertisseurs de puissance pour leur conférer une capacité de surcharge et une tenue thermique suffisamment élevée le temps que des protections classiquement utilisées dans les réseaux AC ne réagissent, c’est-à-dire après un intervalle de temps de l’ordre de 10 ms. Des travaux ont été menés pour comparer les temps de réponse des fusibles DC les plus rapides et le temps de destruction des interrupteurs semi-conducteurs soumis à un défaut DC, avec un surdimensionnement de 100% des interrupteurs semiconducteurs par rapport à la puissance que le convertisseur est censé délivrer en régime nominal. Les résultats de ces travaux sont représentés sous forme synthétique sur la . Plus spécifiquement, les courbes représentées sur la correspondent aux temps de fusion ou destruction : - d’un fusible DC 63A (40), - d’un fusible DC 80A (41), - d’un fusible 80A de classe gR (42), - d’un fusible 80A de classe aR (43), - d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à deux niveaux de type VSC2L (44), et - d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à trois niveaux de type NPC3L (45). Ces résultats montrent qu’un surdimensionnement de 100% des interrupteurs semiconducteurs par rapport à la puissance que le convertisseur est censé délivrer en régime nominal suffit à peine à garantir une réponse suffisamment rapide des fusibles. Par ailleurs, une conséquence d’un tel surdimensionnement est une augmentation non négligeable du coût des convertisseurs. Par ailleurs, l’utilisation de l’énergie électrostatique emmagasinée dans les condensateurs des convertisseurs de puissance pour l’élimination de défauts grâce à des fusibles est bien documentée dans la bibliographie. Cependant, avec le développement de convertisseurs commutant à des fréquences élevées, un gain substantiel dans le dimensionnement des condensateurs a été réalisé au détriment de la réserve d’énergie permettant une protection par fusibles efficace et sélective (cf. nplcit2). Utiliser l’énergie électrostatique emmagasinée dans les condensateurs des convertisseurs de puissance pour déclencher des protections de type fusible est donc certes bénéfique, mais limité notamment en raison des contraintes de surdimensionnement sur les condensateurs des convertisseurs de puissance (cf. nplcit3), ce qui présente là encore un coût non négligeable. Résumé La présente divulgation vient améliorer la situation. Il est proposé un dispositif apte à être inséré dans un circuit DC ayant une tension nominale, le dispositif comportant : - un élément de stockage d’énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC inférieure à la tension nominale, - un chargeur configuré pour charger l’élément de stockage lorsque l’élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à la tension DC nominale, et - un ensemble de diodes défini par une valeur de tension seuil associée, l’ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l’élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes. Si l’on considère un régime nominal stationnaire, dans lequel le dispositif est soumis à une tension DC nominale entretenue aux bornes d’un convertisseur AC/DC ou DC/DC et dans lequel l’élément de stockage d’énergie électrique est préalablement chargé, alors le dispositif se comporte dans son ensemble comme un simple conducteur électrique, l’ensemble de diodes étant bloqué. Dans une telle configuration, dès lors qu’un défaut électrique survient en aval du dispositif, sur une portion de circuit à courant continu à protéger, alors ce défaut électrique occasionne une chute de tension. Dès lors que le dispositif est soumis à une tension DC suffisamment inférieure à la tension nominale, alors l’ensemble de diodes bascule en régime passant. L’élément de stockage d’énergie électrique se décharge alors et entretient à ses bornes une tension égale à sa tension de fonctionnement (c’est-à-dire inférieure à la tension nominale). Une conséquence est que le dispositif fournit un supplément de courant de court-circuit qui peut contribuer à accélérer la fusion d’un fusible situé dans la portion de circuit à courant continu à protéger. Ainsi, il est possible d’assurer que la fusion d’un tel fusible survienne avant la fusion d’un composant critique d’un matériel coûteux tel qu’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur AC/DC ou DC/DC alimentant le circuit à courant continu. Après disparition du défaut électrique et rétablissement de la tension DC nominale, un régime transitoire s’établit automatiquement au sein du dispositif : l’ensemble de diodes est bloqué et le chargeur recharge l’élément de stockage. Une fois l’élément de stockage chargé, le dispositif retrouve son fonctionnement en régime nominal stationnaire. On sait qu’une chute de tension peut également trouver sa source dans une surcharge électrique ne résultant pas d’un courant-circuit mais plutôt d’une demande importante. Une telle chute de tension peut elle aussi déclencher la bascule de l’ensemble de diodes en régime passant, la décharge de l’élément de stockage et, par suite, la fusion d’un fusible sur la portion de circuit à protéger. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : L’élément de stockage peut être un condensateur ou un supercondensateur, avec pour avantage un temps de réponse particulièrement court, compatible avec les exigences liées à la prévention de la destruction d’interrupteurs semi-conducteurs au sein d’un convertisseur alimentant le dispositif. Par ailleurs, les supercondensateurs présentent l’avantage d’un vieillissement calendaire réduit par rapport à d’autres types d’éléments de stockage, d’où une durée de vie accrue. Ceci est vrai en particulier car, au sein du dispositif, l’élément de stockage est davantage soumis au vieillissement calendaire plutôt qu’au vieillissement par cyclage. L’élément de stockage peut alternativement être une batterie. Le chargeur peut être du type d’un hacheur abaisseur, ou peut, alternativement, comprendre un élément résistif et un interrupteur semi-conducteur commandant la charge du condensateur à travers l’élément résistif. L’ensemble de diodes peut être formé d’une pluralité de diodes montées en série. Optionnellement, le dispositif peut comprendre une pluralité de sectionneurs agencés de manière à isoler électriquement l’élément de stockage lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte. Optionnellement, le dispositif peut comprendre une pluralité de sectionneurs agencés de manière à isoler électriquement le dispositif lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte. Ces sectionneurs permettent, en isolant électriquement les sources potentielles de courant traversant une ou plusieurs branches au sein du dispositif, à un opérateur de se protéger en amont d’opérations de maintenance sur le dispositif ou sur un circuit dans lequel le dispositif est installé. Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un système comprenant : - un convertisseur interfaçant un premier circuit et un deuxième circuit DC, - au moins un ensemble dispositif-fusible agencé au sein du deuxième circuit, l’ensemble étant formé du dispositif ci-avant et d’au moins un fusible défini par un calibre de fusible, - le dispositif étant agencé de manière à, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, décharger l’élément de stockage et ainsi fournir au fusible un premier supplément de courant de court-circuit, et - le convertisseur comprenant au moins un condensateur configuré pour, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, fournir au fusible un deuxième supplément de courant de court-circuit, et - le calibre du fusible étant choisi pour occasionner, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, une rupture du fusible sous l’effet combiné d’un courant de court-circuit induit par le court-circuit, du premier supplément et du deuxième supplément avant que le convertisseur ne soit endommagé. Les expressions « premier circuit » et « deuxième circuit » renvoient aux réseaux interfacés par le convertisseur. Le « premier circuit » désigne ainsi le réseau en amont du convertisseur, qui est indifféremment en courant alternatif (AC) ou en courant continu (DC). La représente par exemple, à cet effet, un réseau AC en amont d’un tel convertisseur. Le « deuxième circuit » désigne le réseau en aval du convertisseur qui, dans le contexte de l’invention, est en courant continu (DC). Le système peut optionnellement comprendre une pluralité d’ensembles dispositif-fusible, lesdits ensembles différant au niveau d’au moins un paramètre choisi dans la liste suivante : - le calibre du fusible, - la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage du dispositif, et - la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes du dispositif. Ainsi, en fonction de la localisation d’un défaut électrique au sein du circuit DC, il est possible de sélectionner un ensemble dispositif-fusible se déclenchant en premier, dans le sens où un tel déclenchement consiste en la fourniture du premier supplément de court-circuit par le dispositif de l’ensemble sélectionné, occasionnant la fusion d’un fusible de l’ensemble sélectionné. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 est un schéma d’un circuit d’un convertisseur AC/DC alimentant un départ DC protégé par des fusibles DC. Fig. 2 compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la , les temps de fusion de fusibles 63 A à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur. Fig. 3 représente un diagramme de Ragone de différents types d’éléments de stockage d’énergie électrique. Fig. 4 est un schéma d’un disjoncteur électronique basique, sur lequel est représenté le chemin du courant en cas de défaut électrique. Fig. 5 est un schéma d’un disjoncteur électronique plus évolué, sur lequel est représenté le chemin du courant en régime nominal. Fig. 6 est un schéma du disjoncteur électronique illustré sur la , sur lequel est également représenté le chemin du courant en cas de défaut électrique. Fig. 7 compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la , les temps de fusion de différents types de fusibles à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC surdimensionnés de 100%, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur. Fig. 8 représente un dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, pouvant être raccordé à un réseau à courant continu en parallèle. Fig. 9 représente un dispositif selon un exemple alternatif de réalisation de l’invention. Fig. 10 représente le comportement du dispositif de la lorsqu’il est soumis à un régime nominal de fonctionnement, c’est-à-dire à une absence de défaut électrique dans une portion aval, à protéger, d’un circuit DC. Fig. 11 représente le comportement du dispositif de la lorsqu’il est soumis à un régime de défaut, c’est-à-dire en présence d’un défaut électrique dans une portion aval, à protéger, d’un circuit DC. Fig. 12 représente le comportement du dispositif de la ayant préalablement été soumis à un régime de défaut, après disparition du défaut. Fig. 13 est un schéma d’un circuit d’un convertisseur AC/DC alimentant un départ DC protégé par des fusibles DC, le circuit étant équipé d’une pluralité de dispositifs selon un exemple de réalisation. Fig. 14 compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la , les temps de fusion de différents types de fusibles à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC surdimensionnés de 100%, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur. Fig. 15 représente une variante du dispositif de la , adaptée pour faciliter des opérations de maintenance. Fig. 16 représente une variante du dispositif de la , adaptée pour pour faciliter des opérations de maintenance. Dispositif (50) apte à être inséré dans un circuit DC ayant une tension nominale, comportant : - un élément (52) de stockage d’énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC inférieure à la tension nominale, - un chargeur (51, 55, 56) configuré pour charger l’élément de stockage lorsque l’élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à la tension DC nominale, et - un ensemble de diodes (53) défini par une valeur de tension seuil associée, l’ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l’élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément de stockage est un condensateur ou un supercondensateur. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément de stockage est une batterie. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le chargeur est un hacheur abaisseur (51). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le chargeur comprend un élément résistif (56) et un interrupteur semi-conducteur (55) commandant l’élément résistif. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de diodes est formé d’une pluralité de diodes (54) montées en série. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité de sectionneurs (58, 59) agencés de manière à isoler électriquement l’élément de stockage lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité de sectionneurs (57, 58) agencés de manière à isoler électriquement le dispositif lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte. Système comprenant : - un convertisseur (1) interfaçant un premier circuit (2) et un deuxième circuit DC (3), - au moins un ensemble dispositif-fusible agencé au sein du deuxième circuit, l’ensemble étant formé d’un dispositif (50) selon l’une des revendications précédentes et d’un fusible (5) défini par un calibre de fusible, - le dispositif étant agencé de manière à, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, décharger l’élément de stockage et ainsi fournir au fusible un premier supplément de courant de court-circuit, et - le convertisseur comprenant au moins un condensateur configuré pour, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, fournir au fusible un deuxième supplément de courant de court-circuit, et - le calibre du fusible étant choisi pour occasionner, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, une rupture du fusible sous l’effet combiné d’un courant de court-circuit induit par le court-circuit, du premier supplément et du deuxième supplément avant que le convertisseur ne soit endommagé. Système selon la revendication précédente, comprenant une pluralité d’ensembles dispositif-fusible, lesdits ensembles différant au niveau d’au moins un paramètre choisi dans la liste suivante : - le calibre du fusible, - la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage du dispositif, et - la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes du dispositif.