Types de systèmes HVDC et configurations MTDC
Configurations des systèmes de courant continu haute tension (HVDC)
Le Courant Continu Haute Tension, communément abrégé en HVDC, est une méthode très efficace pour la transmission de l'énergie électrique sur de longues distances, réduisant considérablement les pertes d'énergie par rapport à la transmission traditionnelle en courant alternatif (CA). Le système HVDC peut être mis en œuvre dans diverses configurations, chacune adaptée à des exigences opérationnelles spécifiques. Cet article fournit un aperçu concis des principaux types de configurations de systèmes HVDC.
Systèmes HVDC dos-à-dos
Dans une configuration dos-à-dos (B2B) HVDC, le redresseur et l'onduleur, qui sont les composants clés du convertisseur, sont logés dans la même station terminale. Ces deux éléments de conversion sont directement connectés dos-à-dos. La fonction principale de cette configuration est de relier deux systèmes électriques CA distincts. Elle y parvient en convertissant d'abord l'énergie entrante CA en CC via le redresseur, puis en transformant rapidement l'énergie CC en CA à nouveau à l'aide de l'onduleur.
Systèmes HVDC dos-à-dos (suite)
La configuration dos-à-dos HVDC est installée dans une seule pièce et sert à interconnecter deux systèmes électriques CA asynchrones. Étant donné la connexion directe dos-à-dos du redresseur et de l'onduleur, il n'est pas nécessaire d'avoir une ligne de transmission CC. Pour minimiser le nombre de thyristors connectés en série, la tension CC intermédiaire est intentionnellement maintenue à un niveau bas. Entre-temps, l'intensité nominale de cette configuration peut atteindre plusieurs milliers d'ampères.
Ce type de système HVDC est particulièrement utile pour relier deux systèmes électriques CA asynchrones dans les scénarios suivants :
Système HVDC à deux terminaux
Dans une configuration à deux terminaux HVDC, il y a deux stations terminales distinctes, chacune fonctionnant comme une station de conversion. L'une des stations abrite un redresseur, tandis que l'autre contient un onduleur. Ces deux terminaux sont reliés par une ligne de transmission HVDC, permettant une transmission efficace de l'énergie électrique sur de longues distances. Cette configuration est conçue pour surmonter les limitations de la transmission CA traditionnelle pour le transfert d'énergie sur de longues distances, en tirant parti des avantages de l'énergie CC pour minimiser les pertes d'énergie et améliorer l'efficacité de la transmission sur de vastes zones géographiques.
Le système HVDC à deux terminaux présente une connexion directe entre deux points sans lignes de transmission parallèles ni prises intermédiaires le long de la ligne de transmission. Cette caractéristique lui vaut son nom alternatif de transmission point-à-point. Il est idéalement adapté aux applications d'alimentation électrique entre deux emplacements géographiquement éloignés les uns des autres.
L'un des avantages notables du système HVDC à deux terminaux est qu'il n'a pas besoin d'un disjoncteur de circuit HVDC. En cas de maintenance ou de détection de défauts, les disjoncteurs de circuit CA du côté CA peuvent être utilisés pour décharger la ligne CC. Comparés aux disjoncteurs de circuit CC, les disjoncteurs de circuit CA ont une conception plus simple et coûtent moins cher, ce qui rend le système HVDC à deux terminaux plus économique et plus facile à entretenir.
Système multi-terminal DC (MTDC)
Le système Multi-Terminal DC (MTDC) représente une configuration HVDC plus complexe. Il utilise plusieurs lignes de transmission pour établir des connexions entre plus de deux points. Cette configuration comprend plusieurs stations terminales, chacune équipée de son propre convertisseur, toutes interconnectées par un réseau de lignes de transmission HVDC. Au sein de ce réseau, certains convertisseurs fonctionnent comme des redresseurs, convertissant l'énergie CA en CC, tandis que d'autres agissent comme des onduleurs, transformant l'énergie CC en CA pour la distribution aux charges. Un principe fondamental du système MTDC est que la puissance totale fournie par les stations de redressement doit être égale à la puissance combinée reçue par les stations d'inversion (charge), assurant un flux de puissance équilibré et efficace au sein du réseau interconnecté.
Système multi-terminal DC (MTDC) (suite)
Le réseau MTDC est analogue à un réseau CA en termes de flexibilité, mais il offre un avantage unique : la capacité à contrôler précisément le flux de puissance au sein du réseau distribué en CC. Cependant, cette fonctionnalité améliorée se fait au prix d'une complexité accrue, rendant le système MTDC significativement plus complexe qu'une configuration HVDC à deux terminaux.
Dans une configuration MTDC, il n'est pas possible de compter sur des disjoncteurs de circuit CA du côté CA. Contrairement à un système à deux terminaux, l'utilisation d'un disjoncteur de circuit CA déchargerait l'ensemble du réseau CC au lieu d'isoler uniquement la ligne défectueuse ou nécessitant une maintenance. Pour y remédier, le système MTDC nécessite plusieurs composants de commutation CC, tels que des disjoncteurs. Ces disjoncteurs de circuit CC spécialisés sont conçus pour décharger en toute sécurité les circuits ou isoler des sections spécifiques lors des opérations de maintenance ou de détection de défauts, assurant la stabilité et la fiabilité du réseau.
Maintenir l'équilibre du système est crucial dans un système MTDC. Le courant total fourni par les stations de redressement doit correspondre exactement au courant consommé par les stations d'inversion. Lorsqu'il y a une soudaine augmentation de la demande de puissance d'une station d'inversion, la puissance de sortie en CC doit être augmentée en conséquence pour répondre à la charge accrue. Pendant ce processus, il est essentiel de surveiller et de contrôler de près la tension fournie et le fonctionnement des onduleurs pour éviter le surcharge, qui pourrait entraîner des pannes du système.
L'une des forces clés des systèmes MTDC est leur fiabilité en cas de coupures forcées. En cas de panne inattendue d'une des stations de production, le système peut rapidement rediriger la puissance via des stations de conversion alternatives, minimisant ainsi la perturbation de l'approvisionnement global en électricité.
Applications des systèmes MTDC
Les systèmes MTDC peuvent être classés en deux types principaux :
Système MTDC en série
Dans une configuration MTDC en série, plusieurs stations de conversion sont connectées en série, comme des composants dans un circuit électrique en série. Une caractéristique distinctive de cette configuration est que le courant circulant dans chaque station de conversion reste identique, car il est défini par l'une des stations. Cependant, la chute de tension est répartie entre les stations de conversion, chaque station subissant une partie de la chute de tension totale sur le réseau connecté en série.
Système MTDC en série (suite)
Le système MTDC en série peut être considéré comme une version étendue du système HVDC à deux terminaux, incorporant plusieurs stations de conversion connectées en série, comme illustré dans le diagramme joint. Généralement, les stations de conversion dans une configuration MTDC en série ont une capacité inférieure à celles utilisées dans les systèmes MTDC en parallèle.
Ce système emploie généralement des liaisons CC monopolaire, où la ligne CC est mise à la terre à un seul point spécifique. Pour se protéger contre les surtensions transitoires, un condensateur de mise à la terre peut être installé à d'autres points le long de la ligne comme mesure de protection supplémentaire.
La coordination de l'isolation dans le système MTDC en série présente des défis significatifs en raison des tensions CC variables à chaque station. Le mécanisme de contrôle du flux de puissance dans le système MTDC en série est plus complexe par rapport à celui du système MTDC en parallèle. Dans un système MTDC en parallèle, le flux de puissance peut être régulé en injectant du courant dans des lignes spécifiques, tandis que dans le système MTDC en série, le contrôle du flux de puissance repose sur l'ajustement de la tension à chaque station terminale.
La réversibilité du flux de puissance dans un système MTDC en série peut être facilement réalisée à l'aide de convertisseurs de source de tension (VSC) et de convertisseurs de source de courant (CSC). Cependant, en cas de défaut ou de maintenance programmée d'une ligne spécifique, l'ensemble du réseau CC connaîtra une panne de courant. Comme dans le système HVDC à deux terminaux, des disjoncteurs de circuit du côté CA sont utilisés pour décharger le réseau CC. L'expansion du système MTDC en série pose également des difficultés. L'installation de nouvelles stations terminales nécessite une interruption complète du réseau, car le réseau CC en forme d'anneau doit être sectionné au point d'installation, perturbant l'approvisionnement en électricité de toutes les autres stations le long du parcours.
Système MTDC en parallèle
Dans un système MTDC en parallèle, plusieurs stations de conversion fonctionnant comme des onduleurs ou des stations de charge sont connectées à une seule station de conversion agissant comme un redresseur. Cette station de redressement fournit de l'énergie à l'ensemble du réseau CC. De manière analogue à un circuit électrique en parallèle, la tension reste constante dans toutes les stations d'inversion ou de charge, sa valeur étant définie par l'une des stations de conversion. En revanche, l'alimentation en courant varie en fonction de la demande de puissance de chaque station. Pour maintenir un approvisionnement en courant équilibré, le courant est ajusté dynamiquement en réponse aux besoins de puissance de chaque station de charge. Généralement, les stations terminales dans un système MTDC en parallèle ont une capacité supérieure à celles d'un réseau MTDC en série.
Système MTDC en parallèle (suite)
La réversibilité de la puissance dans un système MTDC en parallèle peut être réalisée par des méthodes de réversibilité de tension ou de courant. Lors de l'utilisation de la réversibilité de tension, qui est généralement associée aux stations terminales basées sur des convertisseurs de source de courant (CSC), cela a un impact sur toutes les stations de conversion. Par conséquent, un système de contrôle et de communication hautement sophistiqué doit être mis en place parmi ces convertisseurs pour gérer cet effet. D'autre part, si la réversibilité de la puissance est réalisée en utilisant la méthode de réversibilité de courant, qui est souvent associée aux stations terminales basées sur des convertisseurs de source de tension (VSC), le processus est beaucoup plus simple à exécuter. C'est la raison principale pour laquelle les VSC sont privilégiés par rapport aux CSC dans les systèmes MTDC en parallèle.
Dans un système MTDC basé sur des VSC, puisque la tension reste constante, la puissance nominale de la station terminale est déterminée par les intensités nominales du convertisseur à valves. Cette configuration offre un avantage significatif en termes de contrôle du flux de puissance au sein du réseau CC. Il peut réguler précisément le flux de puissance en injectant du courant dans des lignes spécifiques, ce qui est une approche plus pratique par rapport au mécanisme de contrôle de puissance dans les systèmes en série qui reposent sur le contrôle de tension à chaque station.
L'une des caractéristiques les plus notables du système MTDC en parallèle est sa résilience face aux défauts. Si un défaut survient dans l'une des stations terminales, le reste du réseau CC reste inchangé. Cependant, pour isoler les lignes CC spécifiques associées à la station défectueuse, un disjoncteur de circuit CC séparé est nécessaire. De plus, lors de l'expansion du réseau CC, il n'est pas nécessaire d'interrompre l'approvisionnement en électricité. Cela est dû au fait que de nouvelles stations terminales peuvent être installées en parallèle avec les lignes existantes, assurant une intégration fluide sans perturber la distribution en cours de l'électricité.
Un autre avantage du système MTDC en parallèle est sa coordination d'isolation relativement simple par rapport à un système en série. En raison de la tension constante dans le réseau, les exigences d'isolation sont plus faciles à gérer.
Le système MTDC en parallèle peut être classé en deux catégories :
Système MTDC radial
Le système MTDC radial est un type spécifique de configuration MTDC en parallèle. Dans cette configuration, si une rupture de ligne de transmission ou la suppression d'un lien se produit, cela entraînera l'interruption de l'approvisionnement en électricité d'une ou plusieurs stations de conversion. Cette caractéristique rend le système MTDC radial quelque peu vulnérable aux scénarios de point unique de défaillance, car toute perturbation dans la ligne de transmission peut avoir un impact direct sur l'approvisionnement en électricité de certaines parties du réseau.
Le schéma fourni illustre une configuration dans laquelle quatre stations d'inversion sont connectées à une seule station de redressement. Dans cette configuration, il est évident qu'une rupture dans l'une des lignes entraînera inévitablement l'interruption de l'approvisionnement en électricité d'au moins une station terminale. Cette vulnérabilité rend le système MTDC radial moins fiable par rapport aux systèmes MTDC en maillage ou en anneau.
Système MTDC en maillage (en anneau)
Dans un système MTDC en maillage ou en anneau, les stations d'inversion (de charge) sont interconnectées avec une seule station de redressement en formation de maillage ou d'anneau. L'un des principaux avantages de cette configuration est que même si une rupture se produit dans une seule ligne de transmission ou si un lien est supprimé, cela n'entraîne pas l'interruption de l'approvisionnement en électricité de l'une quelconque des stations d'inversion. Le schéma suivant illustre clairement un tel système MTDC en maillage ou en anneau. Cette résilience inhérente aux pannes de ligne rend le système MTDC en maillage ou en anneau une option plus fiable pour la transmission et la distribution de l'énergie dans certaines applications, car il peut mieux résister aux perturbations et garantir un approvisionnement continu en électricité aux stations de charge connectées.
Comme illustré, dans un système MTDC en maillage ou en anneau, la suppression de tout lien unique ne perturbe pas l'approvisionnement en électricité de l'une quelconque des stations de conversion. Au lieu de cela, l'énergie électrique est automatiquement redirigée via des liens alternatifs au sein du réseau. Cette redirection fluide est rendue possible par la nature interconnectée de la configuration en maillage ou en anneau. Cependant, il est crucial de noter que ces liens alternatifs doivent être soigneusement conçus pour gérer la transmission de puissance accrue tout en minimisant les pertes de puissance.
L'absence d'interruptions de puissance dans le système MTDC en maillage est un avantage significatif. Elle assure un approvisionnement en électricité continu et stable, même en cas de pannes de liens inattendues. Par conséquent, un système MTDC en maillage connecté en parallèle offre une fiabilité supérieure par rapport à son homologue radial connecté en parallèle. La vulnérabilité du système radial aux interruptions de puissance dues à des pannes de liens uniques est bien moindre comparée à la robustesse du système en maillage pour maintenir le flux de puissance dans des circonstances similaires, ce qui fait du système MTDC en maillage ou en anneau le choix préféré pour les applications où la livraison ininterrompue de l'électricité est primordiale.
