CIRCUIT

Domaine Technique

La présente invention concerne le domaine technique des convertisseurs de tension permettant de convertir une première tension continue en une seconde tension continue et inversement. Ces convertisseurs sont également appelés convertisseurs de tension DC/DC. Ce type de convertisseurs est particulièrement adapté pour être implanté dans des installations de transport d’énergie électrique en courant continu haute tension (HVDC pour « High Voltage Direct Current » en langue anglaise).

Les convertisseurs de tension DC/DC permettent la connexion d’un premier réseau d’alimentation électrique continu et d’un second réseau d’alimentation électrique continu.

Technique antérieure

On connaît un type de convertisseur de tension selon la technique antérieure permettant de convertir une première tension continue en une seconde tension continue et inversement. Ce convertisseur comporte : des premier et second terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un premier réseau d’alimentation électrique continu ; des troisième et quatrième terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un second réseau d’alimentation électrique continu ; une pluralité de bras connectés entre le premier terminal continu et le deuxième terminal continu, les bras comportant chacun un demi-bras supérieur et un demi-bras supérieur comprenant une chaîne de sous-modules comportant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module. Chaque sous-module comporte un condensateur.

L’organe de commande de chaque sous-module permet d’insérer ou de contourner le condensateur de chaque sous-module dans les chaînes de sous- modules. Aussi, le nombre de sous-modules insérés dans chaque chaîne de sous- modules peut être contrôlé et chaque chaîne de sous-modules se comporte comme une source de tension contrôlable. Chacune des chaînes de sous-modules permet de générer une tension contrôlable insérée dans le bras. Ladite tension insérée présente une composante continue et une composante alternative.

En fonctionnement normal de ce convertisseur selon la technique antérieure, connecté entre un premier réseau d’alimentation électrique continu et un second réseau d’alimentation électrique continu, la tension nominale VN _SU P générée par chacune des chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs est égale en première approximation à :

Où V _D ci est la tension nominale du premier réseau d’alimentation électrique continu, V _DC 2 est la tension nominale du second réseau d’alimentation électrique continu, V _A c _S u _p est la composante alternative de la tension générée par la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur.

La tension nominale v _Ninf générée par chacune des chaînes de sous-modules des demi-bras inférieurs est égale en première approximation à :

Où V _ACinf est la composante alternative de la tension générée par la chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur.

Ce convertisseur présente un rapport de transformation noc égal à :

Dans le cas où les demi-bras supérieurs et inférieurs ne comprennent que des sous-modules de topologie en demi-pont, lesdites tensions nominales V _NsU p et V _N inf générées par les chaînes de sous-modules respectivement des demi-bras supérieurs et inférieurs doivent être strictement positives.

Aussi, pour un rapport de transformation n _D c strictement inférieur à 2 (n _D c<2), l’amplitude de la composante alternative de la tension générée par les chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs doit être inférieure ou égale à (V _D C- _I -VDC ₂ )· En conséquence, le nombre de sous-modules N _SMs u _p minimal dans chacune des chaînes de sous-modules des demi-bras supérieur, pour un rapport de transformation n _D c strictement inférieur à 2, afin de pouvoir générer la tension nominale v _NsUp est égale en première approximation à : Où VSM est la tension aux bornes d’un sous-module lorsque le condensateur dudit sous-module est inséré. En cas de panne sur le second réseau d’alimentation électrique continu, la tension de ce second réseau d’alimentation électrique continu devient nulle. Aussi, chacune des chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs doit alors être capable de supporter une tension de défaut v _defs u _p égale à :

Cette tension de défaut V _defs u _p est très supérieure à la tension nominale VN _SU P générée par chacune des chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs en fonctionnement normal du convertisseur. Par conséquent, dans le cas où les chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs ne sont pas dimensionnées en fonction de ces situations de pannes, le nombre de sous-modules dans les chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs est insuffisant pour supporter la tension de défaut V _defs u _p - En cas de panne sur le second réseau d’alimentation électrique continu, les demi-bras supérieurs risquent alors d’être soumis à des surtensions pouvant endommager le convertisseur et compromettre son bon fonctionnement.

Afin de protéger le convertisseur contre de telles surtensions, causées notamment par un défaut sur le second réseau d’alimentation électrique continu, il est connu de sur-dimensionner les chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs en ajoutant un nombre important de sous-modules dans les chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs. Ces sous-modules permettent de supporter une tension suffisante pendant le défaut pour protéger le convertisseur. Toutefois, ces sous-modules, ajoutés afin de supporter des surtensions, se révèlent inutiles en fonctionnement normal du convertisseur.

En conséquence, ces convertisseurs selon l’art antérieur sont particulièrement lourds, encombrants et coûteux.

Par ailleurs, la présence d’un nombre important de sous-modules augmente les pertes par conductions et en commutation.

De plus, d’importantes ressources doivent être utilisées afin de contrôler l’ensemble des éléments de commande de ce convertisseur. Le contrôle du convertisseur est donc également coûteux et complexe.

Exposé de l’invention

Un but de la présente invention est de proposer un convertisseur de tension remédiant aux problèmes précités.

Pour ce faire, l’invention porte sur un convertisseur de tension permettant de convertir une première tension continue en une seconde tension continue et inversement, le convertisseur comportant : des premier et second terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un premier réseau d’alimentation électrique continu ; des troisième et quatrième terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un second réseau d’alimentation électrique continu; au moins un bras s’étendant entre le premier terminal continu et le deuxième terminal continu, ledit au moins un bras comportant au moins un demi- bras supérieur et un demi-bras inférieur reliés électriquement l’un à l’autre en un point milieu, chaque demi-bras comprenant une chaîne de sous-modules comportant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module comprenant un condensateur, l’organe de commande de chaque sous-module pouvant prendre au moins un premier état dans lequel le condensateur est inséré dans la chaîne de sous-modules et un deuxième état dans lequel le condensateur n’est pas inséré dans ladite chaîne de sous-modules, chaque chaîne de sous- modules pouvant être modélisée par une source de tension apte à générer une tension à ses bornes dépendant d’un nombre de condensateurs mis en série dans ladite chaîne de sous-modules, chaque demi-bras comprenant une inductance connectée en série avec la chaîne de sous-modules dudit demi-bras ; un module de filtrage reliant électriquement ledit point milieu dudit au moins un bras au troisième terminal continu, ledit module de filtrage étant configuré pour limiter la circulation d’un courant électrique alternatif vers ledit troisième terminal continu ; et au moins un dispositif coupe-circuit connecté entre le point milieu dudit au moins un bras et le premier terminal continu, ledit dispositif coupe-circuit pouvant prendre une position ouverte et une position fermée, ledit dispositif coupe-circuit étant configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes du demi-bras supérieur dudit au moins un bras atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur.

Le convertisseur de tension selon l’invention peut être aisément connecté dans une installation électrique HVDC, entre un premier réseau d’alimentation électrique continu et un second réseau d’alimentation électrique continu. Le convertisseur selon l’invention forme un convertisseur haute tension DC/DC. Le convertisseur DC/DC selon l’invention est en outre réversible. Par haute tension, on entend de préférence une tension supérieure à 1000 volts.

De préférence, les deuxième et quatrième terminaux sont avantageusement reliés électriquement entre eux, par exemple par une ligne de masse.

Le demi-bras supérieur dudit au moins un bras présente deux bornes entre lesquelles il s’étend. Le demi-bras supérieur dudit au moins un bras s’étend avantageusement entre ledit point milieu et un point supérieur du demi-bras, qui forment alors les bornes du demi-bras supérieur. Avantageusement, des composants électriques peuvent être connectés entre le premier terminal et le point supérieur du demi-bras supérieur dudit au moins un bras. En variante et de manière non limitative, le bras peut être relié directement au premier terminal, de sorte que le premier terminal et le point supérieur du demi-bras supérieur dudit au moins un bras présentent un même potentiel électrique.

Sans sortir du cadre de l’invention, le convertisseur peut comprendre plusieurs bras connectés en parallèle les uns des autres, s’étendant entre les premier et deuxième terminaux continus.

De manière non limitative, les sous-modules peuvent avoir une topologie en demi-pont (« Half-bridge » en langue anglaise) ou en pont complet (« Full-bridge » en langue anglaise).

On comprend que le dispositif coupe circuit est connecté sur un chemin de courant passant par le premier terminal continu et le point milieu dudit au moins un bras, ce chemin de courant passant par ledit au moins un bras.

De manière non limitative, le dispositif coupe-circuit peut par exemple être connecté entre la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur et ledit point supérieur du demi-bras ou encore entre ledit point supérieur et le premier terminal continu.

Dans la position ouverte, le dispositif coupe-circuit est configuré pour interrompre la circulation d’un courant dans le demi-bras supérieur. Dans la position fermée, il autorise la circulation d’un tel courant dans le demi-bras supérieur. Le dispositif coupe-circuit est avantageusement placé en position fermée lors du fonctionnement normal du convertisseur. La position ouverte du dispositif coupe- circuit correspond de préférence à une position de protection ou de sécurité, permettant de protéger le convertisseur contre une surtension.

Le module de filtrage permet de limiter la valeur du courant alternatif circulant vers le troisième terminal continu, et encore de préférence d’empêcher la circulation d’un courant alternatif vers le troisième terminal continu. Un intérêt est de protéger un second réseau d’alimentation électrique continu connecté entre les troisième et quatrième terminaux continus du convertisseur en garantissant la circulation d’un unique courant continu vers le troisième terminal continu.

Avantageusement, la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras comprend un nombre de sous-modules suffisant pour générer une tension nominale VN _SU P permettant un fonctionnement normal du convertisseur, hors panne, lorsque ce dernier est connecté entre un premier réseau d’alimentation électrique continu et un second réseau d’alimentation électrique continu. De préférence, le nombre de sous-modules dans la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur est suffisant pour générer une tension nominale v _NsUp égale en première approximation à :

Où VDC1 est la tension nominale du premier réseau d’alimentation électrique continu, VDC2 est la tension nominale du second réseau d’alimentation électrique continu, VACsup est la composante alternative de la tension générée par la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras.

De préférence, pour un demi-bras supérieur comportant uniquement des sous- modules de type demi-pont, le nombre de sous-modules NSMsup dans la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras est égal en première approximation à :

2 <V _DC i-V _D C2) T v SM

Où VSM est la tension aux bornes d’un sous-module lorsque le condensateur dudit sous-module est inséré.

Le dispositif coupe-circuit est configuré pour s’ouvrir en cas de surtension dans le demi-bras supérieur, par exemple suite à une panne impliquant une chute de tension entre les troisième et quatrième terminaux continus. De manière non- limitative, l’ouverture du dispositif coupe-circuit peut se faire ou non à courant nul. De manière non limitative, le dispositif coupe-circuit peut comprendre un élément d’écrêtage ou d’absorption d’énergie pour prévenir une surtension en cas d’ouverture dudit dispositif coupe-circuit à courant non-nul.

Par tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur on entend la tension aux bornes de la chaîne de sous-modules lorsque tous les condensateurs de ses sous-modules sont insérés dans le demi- bras supérieur. Cette tension est supérieure ou égale à la tension nominale v _NsUp · Cette tension est avantageusement inférieure à la tension nominale V _D ci du premier réseau d’alimentation électrique continu. Le dispositif coupe-circuit est de préférence configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes du demi-bras supérieur dudit au moins un bras devient supérieure ou égale à ladite tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules.

Le dispositif coupe-circuit est apte à supporter entre ses bornes une tension importante, et notamment une tension supérieure ou égale à la différence entre la tension nominale V _D ci du premier réseau d’alimentation électrique continu et la tension maximale pouvant être générée par les sous-modules de la chaîne de sous- modules du demi-bras supérieur et encore de préférence une tension supérieure ou égale à la tension nominale VDCI du premier réseau d’alimentation électrique continu. Le dispositif coupe-circuit permet de protéger les sous-modules du demi- bras supérieur et donc le convertisseur contre une telle surtension, afin d’éviter que le convertisseur et ses composants ne soient endommagés. L’ouverture dudit au moins un dispositif coupe-circuit assure donc la protection du convertisseur contre une surtension dans le demi-bras supérieur dudit au moins un bras.

Le dispositif coupe-circuit permet de limiter le nombre de sous-modules dans la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras à un nombre de sous-modules environ égal ou légèrement supérieur au nombre de sous- modules NSM _SU P permettant de générer la tension nominale V _NSUp , correspondant au fonctionnement normal du convertisseur.

En d’autres mots, l’utilisation du dispositif coupe-circuit permet de limiter le nombre de sous-modules dans la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur pour assurer le fonctionnement normal du convertisseur.

Un intérêt du dispositif coupe-circuit est donc d’éviter l’ajout de sous-modules et donc le sur-dimensionnement de la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur pour la protection du convertisseur. Ceci permet de réduire l’encombrement, le poids et le coût du convertisseur.

L’utilisation d’un tel dispositif coupe-circuit n’apparait pas évidente dans la mesure où de tels dispositifs coupe-circuit s’ouvrent généralement en cas de sur courant et non en cas de surtension.

En outre, l’utilisation du dispositif coupe-circuit permet de réduire les pertes en conduction et en commutation par rapport aux dispositifs de l’art antérieur présentant un nombre de sous-modules beaucoup plus élevé.

Avantageusement, la tension maximale pouvant être générée par ladite chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras est inférieure à la tension entre les premier et deuxième terminaux continus lorsque lesdits premier et deuxième terminaux continus sont connectés à un premier réseau d’alimentation électrique continu.

En effet, en cas de panne sur un second réseau d’alimentation électrique continu auquel est connecté le convertisseur, et plus précisément en cas de tension sensiblement nulle entre les troisième et quatrième terminaux continus, la tension de de défaut V _d e _f su _p du demi-bras supérieur devient sensiblement égale à la tension du premier réseau d’alimentation électrique continu VDCI -

Cette tension de défaut V _d e _f su _p est très supérieure à la tension nominale VN _SU P générée par la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur en fonctionnement normal du convertisseur. De préférence, ledit au moins un dispositif coupe-circuit est connecté entre le premier terminal continu et la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras. Le dispositif coupe-circuit est donc connecté entre un sous- module supérieur de ladite chaîne de sous-modules et le premier terminal continu, par exemple entre ce sous-module supérieur et le point supérieur du demi-bras supérieur ou entre ledit point supérieur et le premier terminal continu.

De manière avantageuse, le convertisseur comprend une pluralité de bras connectés entre le premier terminal continu et le deuxième terminal continu, chaque bras comportant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur reliés l’un à l’autre en un point milieu, chaque demi-bras comprenant une chaîne de sous-modules et une inductance connectée en série avec la chaîne de sous-modules dudit demi- bras. Lesdits bras sont connectés en parallèle les uns des autres. Les tensions aux bornes des chaînes de sous-modules des demi-bras supérieurs sont sensiblement égales en amplitude. L’utilisation d’une pluralité de bras permet d’empêcher plus efficacement la circulation d’un courant alternatif vers les terminaux continus du convertisseur. Cela permet en outre d’augmenter la puissance du convertisseur. Avantageusement, les composantes alternatives des courants circulant dans les bras sont déphasées l’unes par rapport à l’autre tandis que leurs sommes est nulles. De préférence, les composantes alternatives des tensions aux bornes de chacun des bras sont également déphasées l’une par rapport à l’autre.

Selon une première variante préférentielle, l’ensemble des demi-bras supérieurs sont connectés électriquement entre eux en un point supérieur et ledit au moins un dispositif coupe-circuit est connecté entre ledit point supérieur et le premier terminal continu. Aussi, l’ouverture du dispositif coupe-circuit interrompt simultanément la circulation du courant dans l’ensemble des demi-bras supérieurs.

Un intérêt est de pouvoir protéger l’ensemble des sous-modules des demi-bras supérieurs en commandant l’ouverture d’un unique dispositif coupe-circuit. Le convertisseur est donc protégé plus rapidement et plus efficacement. En outre, le dispositif coupe-circuit n’est traversé que par un courant continu. Ceci permet de limiter les pertes en conduction, par rapport à un dispositif coupe-circuit traversé par un courant continu et par courant alternatif.

Dans cette variante non limitative, le dispositif coupe-circuit est avantageusement configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes d’au moins un des demi-bras supérieurs atteint et de préférence devient supérieure ou égale à la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur.

Selon une deuxième variante préférentielle, l’ensemble des demi-bras supérieurs sont connectés entre eux en un point supérieur et ledit au moins un dispositif coupe-circuit est connecté en série dans le demi-bras supérieur d’un des bras, entre ledit point supérieur et le point milieu dudit bras. Dans cette variante, ledit au moins un dispositif coupe-circuit est connecté en série uniquement avec la chaîne de sous-modules du demi-bras dans lequel il est connecté. Aussi, l’ouverture du dispositif coupe-circuit interrompt la circulation du courant dans ce demi-bras supérieurs uniquement.

De préférence, le convertisseur comprend une pluralité de dispositifs coupe- circuits, chacun des dispositifs coupe-circuits étant connecté en série dans un demi- bras supérieur d’un des bras du convertisseur entre ledit point supérieur et le point milieu du bras correspondant. Les dispositifs coupe-circuits peuvent avantageusement être commandés et donc être placés en position ouverte ou en position fermée indépendamment les uns des autres. Un intérêt est de permettre d’interrompre la circulation d’un courant dans un demi-bras supérieur sélectionné et ainsi améliorer le contrôle du convertisseur en cas de surtension. De manière non limitative, les dispositifs coupe-circuits peuvent être commandés simultanément ou successivement.

Un intérêt est de pouvoir isoler un unique demi-bras supérieur et de protéger le convertisseur de manière ciblée.

Chacun de ces dispositifs coupe-circuits est avantageusement configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes du demi-bras supérieur dans lequel il est connecté atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous- modules de ce demi-bras supérieur.

Avantageusement, ledit au moins un dispositif coupe-circuit est apte à supporter une tension au moins égale à la tension nominale d’un premier réseau d’alimentation électrique continu, lorsqu’un tel premier réseau d’alimentation électrique continu est connecté aux premier et deuxième terminaux continus du convertisseur. Un intérêt est d’améliorer la protection du convertisseur, notamment en cas de tension sensiblement nulle entre les troisième et quatrième terminaux continus. En particulier, une panne d’un second réseau d’alimentation électrique continu connecté entre les troisième et quatrième terminaux continus implique une telle tension nulle entre ces terminaux. Ledit au moins un dispositif coupe-circuit est alors soumis à une tension sensiblement égale à la différence entre la tension nominale V _NSUP aux bornes des sous-modules du demi-bras supérieur en fonctionnement normal du convertisseur et la tension nominale du premier réseau d’alimentation électrique continu connecté entre les premier et deuxième terminaux continus, lorsque les condensateurs des sous-modules dudit demi-bras supérieur sont chargés. Lorsque ces condensateurs se déchargent naturellement, le dispositif coupe-circuit est alors soumis à une tension au moins égale à la tension nominale du premier réseau d’alimentation électrique continu. De manière avantageuse, ledit au moins un dispositif coupe-circuit est configuré de sorte que le temps de commutation pour passer de sa position fermée à sa position ouverte est de l’ordre de quelques millisecondes, de préférence moins de 10 millisecondes. Le dispositif coupe-circuit est donc apte à commuter et notamment à passer de la position fermée à la position ouverte très rapidement. Ceci améliore la protection du convertisseur et réduit les risques d’endommagement du convertisseur en cas de surtension dans le demi-bras supérieur.

Préférentiellement, ledit au moins un dispositif coupe-circuit comprend au moins un interrupteur par séparation de contacts mécanique. De manière non limitative, le dispositif coupe-circuit peut comprendre un interrupteur haute tension et/ou un sectionneur rapide. L’interrupteur permet d’interrompre un courant sensiblement égal à un courant en fonctionnement normal du convertisseur. Un sectionneur est configuré pour être ouvert à courant nul.

De préférence, le dispositif coupe-circuit comprend au moins un composant semi-conducteur. De manière non limitative, le dispositif coupe-circuit peut comprendre un interrupteur électronique à base de composants semi-conducteurs.

De manière non limitative, le dispositif coupe-circuit peut comprendre un interrupteur hybride comprenant un moyen de séparation de contacts mécanique et au moins un composant semi-conducteur.

Avantageusement, le module de filtrage comprend au moins une inductance connectée entre le point milieu dudit au moins un bras et le troisième terminal continu. Le module de filtrage forme alors un filtre passif peu encombrant et peu coûteux. De manière non limitative, lorsque le convertisseur comprend une pluralité de bras, le module de filtrage peut comprendre une pluralité d’inductances, à raison d’une par bras, chacune de ces inductances étant reliée au point milieu d’un des bras.

De préférence, le module de filtrage comprend au moins une chaîne de sous- modules, ladite chaîne de sous-modules comportant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module comprenant un condensateur, l’organe de commande de chaque sous-module pouvant prendre au moins un premier état dans lequel le condensateur est inséré dans la chaîne de sous-modules et un deuxième état dans lequel le condensateur n’est pas inséré dans ladite chaîne de sous- modules.

De manière avantageuse, le convertisseur comprend en outre un module de contrôle configuré pour commander l’ouverture du dispositif coupe-circuit lorsque la tension aux bornes du demi-bras supérieur dudit au moins un bras atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur. De préférence, le module de contrôle est également configuré pour contrôler les organes de commande des sous-modules du convertisseur, afin de réguler les tensions aux bornes des chaînes de sous-modules du convertisseur.

L’invention porte par ailleurs sur un procédé de contrôle d’un convertisseur permettant de convertir une première tension continue en une seconde tension continue et inversement, le convertisseur comportant : des premier et second terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un premier réseau d’alimentation électrique continu ; des troisième et quatrième terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un second réseau d’alimentation électrique continu; au moins un bras connectés entre le premier terminal continu et le deuxième terminal continu, ledit au moins un bras comportant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur reliés électriquement l’un à l’autre en un point milieu, chaque demi-bras comprenant une chaîne de sous-modules comportant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module comprenant un condensateur, l’organe de commande de chaque sous-module pouvant prendre au moins un premier état dans lequel le condensateur est inséré dans la chaîne de sous-modules et un deuxième état dans lequel le condensateur n’est pas inséré dans ladite chaîne de sous-modules, chaque chaîne de sous-modules pouvant être modélisée par une source de tension apte à générer une tension à ses bornes dépendant d’un nombre de condensateurs mis en série dans ladite chaîne de sous- modules, chaque demi-bras comprenant une inductance connectée en série avec la chaîne de sous-modules dudit demi-bras ; un module de filtrage reliant électriquement ledit point milieu dudit au moins un bras au troisième terminal continu, ledit module de filtrage étant configuré pour limiter la circulation d’un courant électrique alternatif vers ledit troisième terminal continu ; et au moins un dispositif coupe-circuit connecté en série avec la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras du convertisseur, entre le point milieu dudit bras et le premier terminal continu, ledit dispositif coupe- circuit pouvant prendre une position ouverte et une position fermée, ledit dispositif coupe-circuit étant configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes du demi- bras supérieur atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur.

Avantageusement, le procédé comprend en outre, en cas de chute de la tension entre les troisième et quatrième terminaux continus, les étapes selon lesquelles : on place les organes de commande de la chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur dudit au moins un bras dans le premier état, de manière à insérer les condensateurs de ladite chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur en série dans ladite chaîne de sous-modules ; puis on place ledit au moins un dispositif coupe-circuit en position ouverte afin d’interrompre la circulation d’un courant dans ledit demi-bras supérieur dudit au moins un bras.

On comprend que la chute de tension entre les troisième et quatrième terminaux continus entraîne une surtension dans le demi-bras supérieur, de sorte que la tension aux bornes du demi-bras supérieur dudit au moins un bras atteint et devient supérieure ou égale à la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur.

L’étape selon laquelle on place les organes de commande des sous-modules de la chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur dans le premier état permet de générer une tension la plus importante possible aux bornes de cette chaîne de sous-modules.

Sans sortir du cadre de l’invention, le procédé peut comprendre une étape préalable de détection d’une chute de tension, entre les troisième et quatrième terminaux continus, par exemple au moyen d’un dispositif de mesure de tension.

De préférence, les organes de commande des sous-modules des chaînes de sous-modules peuvent prendre en outre un état non-commandé, le procédé comprenant en outre une étape selon laquelle, avant de placer les organes de commande de la chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur dudit au moins un bras dans le premier état, on place les organes de commande des sous-modules de la chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras dans l’état non-commandé.

De manière non limitative, les organes de commande des sous-modules du demi-bras supérieur dudit au moins un bras peuvent être placés dans l’état non- commandé simultanément à la mise en premier état des organes de commande de la chaîne de sous-modules du demi-bras inférieur dudit au moins un bras.

Dans le mode de réalisation non-limitatif où le convertisseur de tension comprend plusieurs bras, on comprend que ledit demi-bras supérieur et ledit demi- bras inférieur appartiennent au même bras.

Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape selon laquelle, après avoir placé l’ensemble des organes de commande de ladite chaîne de sous- modules du demi-bras inférieur dudit au moins un bras dans le premier état et avant de placer le dispositif coupe-circuit en position ouverte, on commande les organes de commande de ladite chaîne de sous-modules dudit demi-bras inférieur de manière à générer une tension dans ledit demi-bras inférieur permettant de maintenir un courant sensiblement nul dans ledit demi-bras supérieur. Brève description des dessins

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 :

[Fig. 1]La figure 1 illustre une installation HVDC comprenant un premier mode de réalisation d’un convertisseur de tension selon l’invention ;

[Fig. 2]La figure 2 illustre un sous-module en demi-pont du convertisseur de tension de la figure 1;

[Fig. 3A-3D]Les figures 3A à 3D sont des représentations graphiques illustrant le contrôle du convertisseur de la figure 1 en cas de chute de tension entre les troisième et quatrième terminaux continus, en fonction du temps ;

[Fig. 4]La figure 4 illustre les étapes d’un procédé de contrôle d’un convertisseur selon l’invention ;

[Fig. 5]La figure 5 illustre une installation FIVDC comprenant un second mode de réalisation d’un convertisseur de tension selon l’invention ;

[Fig. 6]La figure 6 illustre le nombre de sous-modules nécessaire à la protection du demi-bras supérieur d’un convertisseur selon la technique antérieure ; et [Fig. 7]La figure 7 illustre le nombre de sous-modules nécessaire à la protection du demi-bras supérieur d’un convertisseur selon l’invention.

Description des modes de réalisation

L’invention porte sur un convertisseur de tension permettant de convertir une première tension continue en une seconde tension continue en inversement.

La figure 1 illustre une installation HVDC 8 comprenant un premier mode de réalisation d’un convertisseur de tension 10 selon l’invention, connectant entre eux un premier réseau d’alimentation électrique continu 12 et un second réseau d’alimentation électrique continu 14 de l’installation. Le convertisseur de tension 10 selon l’invention forme donc un convertisseur DC/DC. Selon l’invention, le convertisseur comprend une pluralité de bras 24,26,28, un module de filtrage 34 et un dispositif coupe-circuit 40.

Comme on le constate sur la figure 1, le convertisseur de tension 10 comprend un premier terminal continu 16 et un deuxième terminal continu 18 configurés pour être reliés électriquement au premier réseau d’alimentation électrique continu 12. La tension nominale VDCI du premier réseau d’alimentation électrique continu 12 est illustrée entre le premier terminal continu 16 et le deuxième terminal continu 18.

Le convertisseur de tension 10 comprend en outre un troisième terminal continu 20 un quatrième terminal continu 22 configurés pour être reliés électriquement au second réseau d’alimentation électrique continue 14. La tension nominale VDC2 du second réseau d’alimentation électrique continu 14 est illustrée entre le troisième terminal continu 20 et le quatrième terminal continu 22.

Les deuxième et quatrième terminaux continus 18,22 sont reliés électriquement entre eux. Dans cet exemple non limitatif, les deuxième et quatrième terminaux continus sont reliés entre eux par une ligne de masse 23 ayant un potentiel électrique nul.

De manière non limitative, le convertisseur 10 comprend par ailleurs un premier bras 24, un deuxième bras 26 et un troisième bras 28, chacun des bras étant connecté entre le premier terminal continu 16 et la ligne de masse 23 et donc entre le premier terminal continu 16 et le deuxième terminal continu 18. Les trois bras 24,26,28 sont connectés en parallèle les uns avec les autres. Dans ce premier mode de réalisation, non limitatif, les premier, deuxième et troisième bras 24,26,28 sont reliés entre eux en un point supérieur 31.

Dans ce premier mode de réalisation, le premier demi-bras supérieur 24u est donc connecté entre le premier point milieu 25 et le point supérieur 31, qui forment ses bornes. De même, le deuxième demi-bras supérieur 26u est connecté entre le deuxième point milieu 27 et le point supérieur 31, qui forment ses bornes. Le troisième demi-bras supérieur 28u est connecté entre le troisième point milieu 29 et le point supérieur 31, qui forment ses bornes. Sans sortir du cadre de l’invention, le convertisseur pourrait ne comprendre qu’un seul bras.

Le premier bras 24 comprend un premier demi-bras supérieur 24u et un premier demi-bras inférieur 24I reliés électriquement l’un à l’autre en un premier point milieu 25. Le deuxième bras 26 comprend un deuxième demi-bras supérieur 26u et un deuxième demi-bras inférieur 26I reliés électriquement l’un à l’autre en un deuxième point milieu 27. Le troisième bras 28 comprend un troisième demi-bras supérieur 28u et un troisième demi-bras inférieur 28I reliés électriquement l’un à l’autre en un troisième point milieu 29.

Chacun des demi-bras supérieur et inférieur comprend une chaîne de sous- modules 30 comprenant chacune une pluralité de sous-modules SM connectés en série dans le demi-bras correspondant.

Les sous-modules SM sont commandables individuellement suivant une séquence souhaitée afin de modifier la tension aux bornes de chacune des chaînes de sous-modules.

La figure 2 illustre un sous-module SM ayant une topologie en demi-pont. Ce sous-module SM comprend un condensateur CSM, et un organe de commande T1,T2 permettant de commander individuellement chaque sous-module SM. De manière non limitative, l’organe de commande T1,T2 comporte un premier élément de commutation électronique T1 tel qu’un transistor bipolaire à grille isolée (« IGBT : Insulated Gâte Bipolar Transistor » en langue anglaise) connecté avec le condensateur CSM- Ce premier élément de commutation T1 et ce condensateur CSM sont montés en parallèle d’un deuxième élément de commutation électronique T2, également un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Ce deuxième élément de commutation électronique T2 est couplé entre les bornes d’entrée et de sortie du sous-module SM. Les premier et deuxième éléments de commutation T1 et T2 sont tous deux associés à une diode antiparallèle D représentée sur la figure 2.

De manière non limitative, les éléments de commutations pourraient être de type IGBTs, MOSFETs ou des IGCTs.

L’organe de commande de chaque sous-module SM peut prendre un premier état dans lequel le condensateur CSM est inséré dans la chaîne de sous-modules correspondante et un deuxième état dans lequel le condensateur n’est pas inséré dans ladite chaîne de sous-modules. De manière non limitative, l’organe de commande peut prendre en outre un état non-commandé dans lequel les premier et deuxième éléments de commutation T1,T2 sont ouverts de sorte que l’insertion du condensateur CSM dépend du signe du courant circulant dans le demi-bras correspondant, compte-tenu des diodes anti-parallèles.

Sans sortir du cadre de l’invention l’ensemble ou une partie des sous-modules SM des chaînes de sous-modules 30 pourraient avoir une topologie en pont complet.

Chaque chaîne 30 de sous-modules SM peut être modélisée par une source de tension contrôlable apte à générer une tension à ses bornes dépendant du nombre de condensateurs insérés et mis en série dans ladite chaîne de sous-modules 30. Le nombre NSM _SU P de sous-modules SM des chaînes 30 de sous-modules des premier, deuxième et troisième demi-bras supérieurs 24u,26u,28u est avantageusement choisi de sorte que ces chaînes de sous-modules soient aptes à générer une tension nominale VN _SU P à leurs bornes permettant un fonctionnement normal du convertisseur, hors panne et incident. Chacune des chaînes de sous- modules 30 est en outre apte à générer une tension maximale, correspondant à la tension générée par ladite chaîne de sous-modules lorsque l’ensemble des condensateurs de ses sous-modules sont insérés dans ladite chaîne de sous- modules 30. Cette tension maximale est avantageusement égale ou légèrement supérieure au maximum de la tension nominale V _Ns up, la tension VN _SU P présentant une composante alternative.

Chacun des demi-bras supérieurs 24u,26u,28u et inférieurs 241,261,281 comprend en outre une inductance 32 connectée en série avec la chaîne de sous- modules 30 dudit demi-bras. Le contrôle des tensions générées par les chaînes de sous-modules 30 permet d’imposer les tensions aux bornes des inductances 32 et donc de contrôler les courants circulant dans les demi-bras du convertisseur. Le convertisseur 10 comprend par ailleurs un module de filtrage 34 connecté électriquement entre le troisième terminal continu 20 et chacun des bras 24,26,28 du convertisseur. Plus précisément, le module de filtrage 34 est connecté aux premier, deuxième et troisième points milieux 25,27,29 respectivement des premier, deuxième et troisième bras 24,26,28. Dans cet exemple non limitatif, le module de filtrage 34 comprend trois inductances, chacune étant reliée à un des bras du convertisseur. Le module de filtrage est configuré pour limiter la circulation d’un courant électrique alternatif vers le troisième terminal continu 20 et notamment pour réduire la valeur de ce courant.

Dans ce premier mode de réalisation non limitatif, illustré en figure 1, le convertisseur comprend un unique dispositif coupe-circuit 40 qui est connecté entre les points milieux 25,27,29 des bras 24,26,28 et le premier terminal continu 16. Plus précisément, dans ce premier mode de réalisation, le dispositif coupe-circuit 40 est connecté entre le point supérieur 31 des demi-bras supérieurs et le premier terminal continu 16.

Le dispositif coupe-circuit 40 peut être placé dans une position ouverte ou dans une position fermée afin d’autoriser ou interrompre simultanément la circulation d’un courant électrique dans les premier, deuxième et troisième demi-bras supérieurs 24u,26u,28u. Il peut être de type interrupteur à séparation de contacts mécanique, de type interrupteur électrique à base de composants semi-conducteurs ou encore de type interrupteur hybride comprenant des composants semi-conducteurs et comprenant un moyen de séparation de contacts mécanique.

Le dispositif coupe-circuit 40 est apte à supporter des hautes tensions, de l’ordre de plusieurs milliers de volts. Il est en outre configuré de sorte que son temps de commutation entre la position fermée et la position ouverte est de l’ordre de quelques millisecondes, de préférence moins de 10 millisecondes.

Selon l’invention, le dispositif coupe-circuit 40 est configuré pour s’ouvrir, c’est-à- dire être placé en position ouverte, lorsque la tension aux bornes d’au moins un des demi-bras supérieurs 24u,26u,28u d’un des bras atteint la tension maximale pouvant être générée, et donc supportée par la chaîne de sous-modules dudit demi- bras supérieur. En d’autres mots, le dispositif-coupe circuit 40 est configuré pour s’ouvrir lorsque au moins un des demi-bras supérieur est soumis à une tension supérieure à la tension pouvant être supportée par la chaîne de sous-modules de ce demi-bras supérieur. Le dispositif coupe-circuit 40 s’ouvre donc en cas de surtension aux bornes d’au moins un des demi-bras supérieurs 24u,26u,28u et permet ainsi de protéger les sous-modules SM des demi-bras supérieurs et donc le convertisseur 10 contre la surtension.

Grâce à l’invention, le nombre NSM _SU P de sous-modules SM des chaînes de sous-modules 30 des demi-bras supérieurs 24u,26u,28u peut être réduit par rapport aux convertisseurs de l’art antérieur et limité au nombre NSM _SU P de sous- modules SM permettant générer la tension nominale VN _SU P correspondant au fonctionnement normal du convertisseur. La protection du convertisseur contre la surtension est assurée par le dispositif coupe-circuit 40, et non par de nombreux sous-modules ajoutés dans cet unique but dans les dispositifs de l’art antérieur.

A l’aide des graphiques des figures 3A à 3D, nous allons maintenant décrire un premier mode de mise en oeuvre d’un procédé de contrôle d’un convertisseur de tension 10 selon l’invention, et plus précisément du convertisseur de la figure 1, permettant d’assurer la protection du convertisseur en cas de défaut entre les troisième et quatrième terminaux continus 20,22.

Pour des raisons de lisibilité, seuls les courants et tensions du premier bras 24 sont illustrés sur les figures 3A à 3D. Le comportement de ces grandeurs pour les deuxième et troisième bras 26,28 est similaire à celui du premier bras et le contrôle des sous-modules du premier bras est similaire à celui des sous-modules des deuxième et troisième bras.

Sur la figure 3A, la courbe V _24u illustre l’évolution de la tension aux bornes du premier demi-bras supérieur 24u en fonction du temps. La courbe V ₄ o illustre l’évolution de la tension aux bornes du dispositif coupe-circuit 40 en fonction du temps.

Sur la figure 3B, la courbe ai correspond à un signal de blocage des sous- modules du premier demi-bras supérieur 24u. La courbe bi correspond à un signal d’ouverture du dispositif coupe-circuit 40. La courbe Ci correspond à un signal de blocage des sous-modules du premier demi-bras inférieur 24I.

Sur la figure 3C, la courbe V ₂ 4i illustre l’évolution de la tension du premier demi- bras inférieur 24I en fonction du temps.

Sur la figure 3D, la courbe i _24i illustre l’évolution du courant circulant dans le premier demi-bras supérieur 24u en fonction du temps. La courbe Uo illustre l’évolution du courant traversant le dispositif coupe-circuit 40.

La figure 4 illustre les étapes S1 à S8 d’un mode de mise en oeuvre d’un procédé de contrôle d’un convertisseur selon l’invention.

Sur les figures 3A et 3C, la courbe VDCI illustre l’évolution, en fonction du temps, de la tension entre les premier et deuxième terminaux continus 16,18 du convertisseur 10, lorsqu’un premier réseau d’alimentation électrique continu 12 est connecté à ces premier et deuxième terminaux continus. Cette tension correspond à la tension nominale dudit premier réseau d’alimentation électrique continu 12.

Avant l’instant to=800 millisecondes (ms), le convertisseur 10 fonctionne normalement. Il est connecté entre le premier réseau d’alimentation électrique continu 12 et le second réseau d’alimentation électrique continu 14 et permet de convertir une première tension continue en une seconde tension continue. En outre, le dispositif coupe-circuit 40 est en position fermée. La tension nominale du premier réseau d’alimentation électrique continu 12 est environ égale à 640 kilo-Volts (kV). La tension aux bornes du premier demi-bras supérieur 24u présente une composante alternative et une composante continue.

Selon une première étape S1, à l’instant to=800 ms, on détecte une chute de tension entre les troisième et quatrième terminaux continus 20,22 du convertisseur 10. De manière non limitative, cette détection peut être réalisée au moyen d’un dispositif de mesure de tension. La chute de tension peut être liée à une panne du second réseau d’alimentation électrique continu 14 et risque d’entrainer une surtension dans le premier demi-bras supérieur 24u. On constate sur la figure 3A que la tension du premier demi-bras supérieur augmente subitement à l’instant to. En particulier, la tension aux bornes du premier demi-bras supérieur 24u atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules 30 dudit premier demi-bras supérieur. Selon l’invention, ceci va entraîner l’ouverture du dispositif coupe-circuit 40.

Comme illustré sur la figure 3B, simultanément à cette première étape S1, on réalise une deuxième étape S2 selon laquelle on génère un signal de blocage des sous-modules SM de la chaîne de sous-modules du premier demi-bras supérieur 24u, se traduisant par un échelon sur la courbe a-i. Lesdits sous-modules SM sont alors placés dans un état non-commandé, dans lequel les éléments de commutation T1,T2 des sous-modules du premier demi-bras supérieur sont placés en position ouverte.

Selon une troisième étape S3, les organes de commande des sous-modules des chaînes de sous-modules 30 du premier demi-bras inférieur 24I sont placés dans le premier état, de manière à insérer l’ensemble des condensateurs de ces sous- modules dans ladite chaîne de sous-modules. La tension V _24i du premier demi-bras inférieur atteint alors son maximum, qui est ici environ égal à la tension VDCI et donc à 640 kV, comme illustré en figure 3C.

Tel qu’illustré sur la figure 3D, cette troisième étape S3 a en outre pour conséquence de faire chuter le courant i ₂ 4 _U circulant dans le premier demi-bras supérieur 24u.

Lorsque le courant i ₂ 4 _U circulant dans le premier demi-bras supérieur 24u devient sensiblement nul, à l’instant ti=800.3 ms, on réalise une quatrième étape S4 selon laquelle on contrôle les organes de commande T1,T2 des sous-modules de la chaîne de sous-modules du premier demi-bras inférieur 24I, afin de maintenir la tension V _24| du premier demi-bras inférieure à une valeur constante, ici environ égale à 470 kV, tel qu’illustré en figure 3C. Cette tension permet de maintenir le courant i ₂ 4 _U circulant dans le premier demi-bras supérieur 24u à une valeur sensiblement nulle, comme on peut le voir en figure 3D. Selon une cinquième étape S5, tel qu’illustré en figure 3B, à l’instant t2= 800.8 ms, dans la mesure où la tension aux bornes du premier demi-bras supérieur 24u a atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit premier demi-bras supérieur, on génère un signal d’ouverture du dispositif coupe-circuit 40, se traduisant par un échelon sur la courbe bi, visant à amener le dispositif coupe-circuit 40 de sa position fermée vers sa position ouverte. Dans cet exemple non limitatif, l’ouverture du dispositif coupe-circuit 40 est réalisée à courant et tension nuis.

Comme on peut le voir en figure 3A, le dispositif coupe-circuit 40 atteint la position ouverte à l’instant t ₃ =802.6 ms. De manière non limitative, le temps de commutation du dispositif coupe-circuit entre la position fermée et la position ouverte est donc d’environ 1.8 ms.

Lorsque le dispositif coupe-circuit 40 atteint sa position ouverte, sa tension V ₄ o augmente subitement. Le dispositif coupe-circuit assure alors la protection des sous-module SM des chaînes de sous-modules 30 du premier demi-bras supérieur contre une surtension apparaissant entre le premier terminal continu et le troisième terminal continu. On constate que la tension V _24u du premier demi-bras supérieur est maintenue à une tension environ égale 260 kV, correspondant sensiblement à la tension maximale qu’il est apte à générer.

Selon une sixième étape S6, lorsque le dispositif coupe-circuit 40 est ouvert, les sous-modules de la chaîne de sous-modules du premier demi-bras inférieur sont placés dans l’état non-commandé.

La figure 5 illustre un second mode de réalisation d’un convertisseur selon l’invention. Dans cette variante, le convertisseur comprend un premier dispositif coupe-circuit 40, un deuxième dispositif coupe-circuit 40’ et un troisième dispositif coupe-circuit 40” connectés en série respectivement dans les premier, deuxième et troisième demi-bras supérieurs 24u,26u,28u.

Plus précisément, le premier dispositif coupe-circuit 40 est connecté entre le point supérieur 31 et le premier point milieu 25 du premier bras 24. Le deuxième dispositif coupe-circuit 40’ est connecté entre le point supérieur 31 et le deuxième point milieu 27 du deuxième bras 26. Le troisième dispositif coupe-circuit 40” est connecté entre le point supérieur 31 et le troisième point milieu 29 du troisième bras 28.

Les premier, deuxième et troisième dispositifs coupe-circuits 40, 40’, 40” peuvent être commandés conjointement et simultanément ou indépendamment les uns des autres, de manière successive.

Dans ce second mode de réalisation, chacun des dispositifs coupe-circuits est configuré pour s’ouvrir lorsque la tension aux bornes du demi-bras supérieur dans lequel il est connecté atteint la tension maximale pouvant être générée par la chaîne de sous-modules dudit demi-bras supérieur. Chacun des demi-bras supérieurs peut donc être protégé indépendamment.

La figure 6 illustre le nombre de sous-modules nécessaires à la protection d’un convertisseur selon la technique antérieure. Sur la figure 6, la courbe C1 illustre le nombre de sous-modules nécessaires dans une chaîne de sous-modules d’un demi-bras supérieur pour permettre le fonctionnement normal d’un convertisseur selon l’art antérieur, en fonction du rapport de transformation noc de ce convertisseur. Dans cet exemple, la chaîne de sous-modules peut générer une tension maximale de 640kV et les condensateurs de chaque sous-module présentent une tension de 2kV à leurs bornes. La courbe C2 représente le nombre de sous-modules que comprennent réellement les demi-bras supérieurs de ces convertisseurs selon l’art antérieur, afin de protéger ces convertisseurs d’une surtension. La zone Z1 représente le nombre de sous-modules de type pont complet ajoutés afin de protéger le convertisseur d’une surtension tandis que la zone Z2 illustre le nombre de sous-modules de type demi-pont ajoutés afin de protéger le convertisseur. Le convertisseur selon l’invention permet de s’affranchir de l’ajout de ces convertisseurs et permet donc de réduire le poids, l’encombrement et le coût du convertisseur.

Sur la figure 7, les courbes D1 et D2 illustrent respectivement le nombre de sous-modules en demi-pont et en pont complet disposés dans les chaînes de sous- modules des demi-bras supérieurs d’un convertisseur selon l’invention, en fonction du rapport de transformation noc du convertisseur.

La courbe D3 illustre le gain en nombre total de sous-modules disposés dans une chaîne de sous-modules du demi-bras supérieur d’un convertisseur selon l’invention, par rapport à un convertisseur selon la technique antérieure.