ETUDE ET SIMULATION D’UN CONVERTISSEUR MODULAIRE MULTINIVEAUX APPLICATION HVDC

Abstract

Le transport d’énergie en courant continu et à haute tension (CCHT ou HVDC) est présentement en pleine expansion dans le monde. Deux principaux facteurs sont à l’origine de cet engouement. Le premier facteur est relié aux difficultés de construction de nouvelles lignes aériennes pour assurer le développement du réseau à haute tension et ce qui fait que le recours à des câbles souterrains est de plus en plus fréquent. Or l’utilisation de ces câbles est limitée en longueur à quelques dizaines de km à cause du courant capacitif généré par le câble lui-même. Au-delà de cette longueur limite, la solution consiste généralement à transporter en courant continu (CC ou DC). Le second facteur est relié au développement de l’éolien offshore qui nécessite de raccorder des puissances de plusieurs centaines de MW au réseau continental au moyen de câbles dont les longueurs peuvent atteindre quelques centaines de km et donc requérir le transport en HVDC. Toutefois, en raison de la complexité des commandes et des limites pratiques, les installations de système HVDC-VSC ont été traditionnellement limitées à des convertisseurs deux niveaux et trois niveaux. Récemment, la mise au point de la technologie modulaire appelée MMC (Modular Multilevel Converter), a permis de surmonter les limites des autres topologies multi-niveaux pour les applications HVDC. Cette topologie est constituée de plusieurs sousmodules (SMs) connectés en séries. Chaque sous-module contient deux IGBTs avec leurs diodes antiparallèles et un condensateur qui sert comme accumulateur d’énergie. RESUME Dépendamment de l'application et de la capacité de puissance requise, les niveaux du MMC peuvent varier de quelques dizaines à des centaines de sous-modules par demi-bras. Pour les systèmes HVDC, un MMC peut comprendre des milliers de commutateurs de puissance. Le projet Trans Bay Cable, par exemple, comprend plus de 200 SMs par demi bras et le projet INELFE utilise plus de 400 SMs par demi-bras. La particularité des liaisons HVDC est de faire appel à un système de contrôle dédié qui va en grande partie déterminer le comportement dynamique de la liaison tant pour des grosses perturbations (défauts sur le réseau) que pour des petites perturbations. Avec un grand nombre de niveaux de MMC, le contrôle des SMs (équilibrage des tensions de condensateur des SMs) peut être séparé du contrôle global (contrôle du courant et de la puissance). Il existe différents systèmes de contrôle global basés sur l'énergie de demi-bras et dans certains cas, la stratégie de contrôle se valide sur une liaison HVDC. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à l’intégration de deux stations MMC au réseau électrique en les connectant entre elles via une liaison de transmission HVDC ou le transport de l'énergie est réalisé par l'utilisation d'une station MMCI pour convertir la tension alternative fournie en courant continu, puis transmise via des liaisons HVDC. Cette puissance transmise est ensuite convertie par la station MMCII en courant alternatif pour alimenter le réseau II. Dans ce but, nous nous intéressons aux contrôles interne et externe des deux stations MMC. La tension du bus continu est imposée par les tensions des condensateurs des SMs, ce qui signifie que la tension Vdc est toujours égale à la somme de toutes les tensions des condensateurs VCtot dans chaque bras. Concernant les contrôles des SMs, deux approches principales existent pour équilibrer les tensions des condensateurs des SMs: le réglage de chaque condensateur de SM par un contrôleur PI ou à l'aide d'un algorithme qui traite tous les condensateurs des SMs de chaque demi-bras. Notre travail est organisé comme suit : Le chapitre I est dédié à la présentation d’un aspect général sur les convertisseurs multiniveaux. Le chapitre II se focalise sur la modélisation du convertisseur modulaire multiniveaux: MMC Le chapitre III s’intéresse à l’application des MMC exemple l’HVDC.