Solution de disjoncteur hybride haute tension à courant continu de type redresseur

I. Contexte du projet et analyse des besoins​
Avec l'avancement de la transition énergétique, la technologie de transmission en courant continu flexible basée sur le convertisseur statique à source de tension (VSC) est devenue une solution clé pour l'intégration à grande échelle des énergies renouvelables et l'amélioration des capacités de transmission de puissance sur de longues distances, grâce à ses avantages tels que le contrôle indépendant de la puissance active et réactive et un faible contenu harmonique. La construction de réseaux en courant continu flexible est une tendance inévitable. Dans ce contexte, les disjoncteurs haute tension en courant continu, en tant que dispositifs de protection centraux pour l'isolement rapide des défauts et la garantie de la sécurité et de la stabilité du réseau, sont d'une importance cruciale. Sans disjoncteurs en courant continu de haute performance, la flexibilité opérationnelle et la fiabilité de l'alimentation des réseaux en courant continu flexible seraient sévèrement limitées.

Les technologies actuelles de disjoncteurs haute tension en courant continu ont des limitations significatives :

• ​Disjoncteurs mécaniques: Bien qu'ils offrent des pertes faibles en état conducteur et une haute tension de tenue, leur temps d'interruption est de l'ordre de dizaines de millisecondes, ne répondant pas aux exigences strictes d'isolement de défauts en millisecondes dans les réseaux en courant continu flexible.
• ​Disjoncteurs entièrement à semi-conducteurs: Basés sur des dispositifs à semi-conducteurs, ils offrent une interruption extrêmement rapide mais souffrent de pertes élevées en état conducteur, de coûts d'exploitation élevés et d'une faible efficacité économique.
• ​Disjoncteurs hybrides traditionnels: Bien qu'ils combinent les faibles pertes des interrupteurs mécaniques et l'interruption rapide des interrupteurs à semi-conducteurs, leur topologie nécessite des IGBT connectés en série dans les deux sens, entraînant une faible utilisation des dispositifs, une complexité système et des coûts élevés.

Pour répondre à ces goulets d'étranglement techniques, il est urgent de développer une nouvelle solution de disjoncteur en courant continu qui combine une capacité d'interruption rapide, des pertes d'exploitation faibles, une haute efficacité économique et une haute fiabilité.

​II. Solution : Disjoncteur hybride haute tension en courant continu de type redresseur​
Cette solution propose une topologie innovante de disjoncteur hybride haute tension en courant continu de type redresseur, résolvant fondamentalement les limitations des technologies existantes.

​​(I) Technologie de base : Topologie de circuit innovante​
La topologie de ce disjoncteur consiste en une branche de conduction du courant et une branche d'interruption du courant connectées en parallèle.

1. ​Branche de conduction du courant:
• ​Composition: Composée d'un interrupteur mécanique à haute vitesse (S1) et d'un groupe de valves de conduction du courant (Q1) connectés en série.
• ​Caractéristiques: S1 a une résistance de contact extrêmement faible (seulement quelques dizaines de micro-ohms), et Q1 est composé d'un petit nombre d'IGBT avec un faible voltage de conduction. En fonctionnement normal, le courant nominal passe par cette branche, assurant des pertes en état conducteur extrêmement faibles.
2. ​Branche d'interruption du courant:
• ​Composition: Utilise une structure de redresseur pont, composée d'un groupe de valves de commutation de pont (D1-D4, formé par plusieurs diodes connectées en série), d'un groupe de valves d'interruption unidirectionnelles (Q2, formé par plusieurs IGBT connectés en série), et d'une résistance non linéaire (MOV1, parafoudre).
• ​Avantage principal: La structure de redresseur pont permet astucieusement la commutation du courant, permettant au groupe de valves d'interruption unidirectionnelles (Q2) d'interrompre les courants de défaut en courant continu bidirectionnels. Comparé aux topologies hybrides traditionnelles, le nombre d'IGBT est réduit d'environ moitié. Étant donné que les IGBT commerciaux press-pack coûtent environ 10 fois plus cher que les diodes de même cotation, et que la réduction des IGBT diminue également le nombre de cartes de commande associées, cette topologie réalise une réduction significative des coûts et une amélioration de la fiabilité globale.

​​(II) Principe de fonctionnement d'interruption efficace​
En prenant l'exemple d'un courant allant du port 1 au port 2, le processus d'interruption se compose de quatre étapes :

1. ​Étape 1 (t0–t1, occurrence du défaut)​: Un court-circuit se produit sur la ligne, provoquant une augmentation rapide du courant. À ce moment, S1 et Q1 sont en conduction, Q2 est éteint, et le courant de défaut passe entièrement par la branche de conduction du courant.
2. ​Étape 2 (t1–t2, transfert du courant)​: Le système de contrôle émet une commande d'ouverture, allumant Q2 et éteignant Q1. La conduction de Q2 génère un voltage de commutation sur le bras de pont, forçant le courant à se transférer de la branche de conduction du courant à la branche d'interruption du courant (chemin : D1 → Q2 → D4).
3. ​Étape 3 (t2–t3, interruption de l'interrupteur mécanique)​: Une fois que le courant de la branche de conduction du courant a été complètement transféré, l'interrupteur mécanique à haute vitesse S1 s'interrompt sous conditions de courant et de tension nuls sans arc électrique, établissant une résistance d'isolation.
4. ​Étape 4 (t3–t4, élimination du courant de défaut)​: Après que S1 ait été complètement interrompu, Q2 est éteint. L'extinction de Q2 génère une surtension transitoire à travers le disjoncteur, déclenchant la conduction de MOV1 et détournant le courant de défaut vers MOV1 pour dissipation jusqu'à ce que l'énergie soit épuisée, le courant tombe à zéro, et l'isolement du défaut est terminé.

Le principe d'interruption pour le courant inverse est le même, guidé par le pont de diodes (D2, D3) pour passer par Q2.

​​(III) Stratégie de contrôle intelligente​

1. ​Stratégie de contrôle pré-interruption:
• ​Objectif: Pour surmonter le goulet d'étranglement du temps d'ouverture élevé de l'interrupteur mécanique à haute vitesse (environ 2 ms), raccourcir le temps total d'interruption et supprimer le pic de courant de défaut.
• ​Logique: Par le suivi en temps réel de la tension du bus, de la tension de ligne et du courant de ligne (six critères au total, comme indiqué dans le Tableau 1), dès qu'un critère anormal est déclenché, l'opération de pré-interruption est initiée en avance (transfert du courant vers la branche d'interruption du courant et ouverture de S1). Si une commande d'ouverture formelle est ensuite reçue, l'interruption est achevée ; si c'est une fausse alarme, le courant est transféré de nouveau vers la branche de conduction du courant pour reprendre le fonctionnement normal.
• ​Effet: Les simulations montrent que cette stratégie peut supprimer le courant de défaut de 25 kA à 17 kA, avec le temps total d'interruption stabilisé à moins de 3 ms.

​Tableau 1 : Critères d'activation de la pré-interruption​

1. ​Stratégie de contrôle de fermeture douce:
• ​Objectif: Pour aborder les problèmes potentiels de surtension et d'oscillation du système au moment de la fermeture, sans besoin de résistances et d'interrupteurs supplémentaires, économisant ainsi des coûts et de l'espace.
• ​Logique: La branche d'interruption du courant est traitée comme composée de plusieurs unités de moyenne tension connectées en série. Pendant la fermeture, ces unités de moyenne tension sont activées de manière séquentielle et contrôlée pour établir progressivement un chemin. Après chaque étape, une détection de défaut est effectuée. Si aucun défaut n'est détecté, le processus continue jusqu'à ce que toutes les unités soient activées. Finalement, la branche de conduction du courant est fermée, et la branche d'interruption du courant est éteinte. Si un défaut est détecté pendant le processus, la fermeture est immédiatement annulée.
• ​Applicabilité: Convient à la fermeture normale et à la reclosure automatique après l'élimination du défaut. Les simulations confirment l'absence de surtension et d'oscillation.

​III. Développement du prototype et vérification expérimentale​

​​(I) Paramètres clés et structure du prototype​
Un prototype d'ingénierie de disjoncteur en courant continu de 500 kV a été développé avec les paramètres clés suivants :

• ​Conception structurelle:
• ​Branche de conduction du courant: Puisqu'elle transporte le courant pendant de longues périodes, Q1 est équipé d'un système de refroidissement par eau et placé au bas de la tour de valves ; S1 est composé de plusieurs interrupteurs à vide en série, actionnés par un mécanisme de répulsion électromagnétique, et placé au sommet de la tour de valves.
• ​Branche d'interruption du courant: Composée de 10 unités de moyenne tension de 50 kV connectées en série, installées dans 2 tours de valves (5 couches chacune). Q2 adopte une conception d'IGBT en double parallèle pour répondre à la capacité d'interruption. Cette branche ne transporte pas de courant en fonctionnement normal, donc aucun refroidissement n'est nécessaire, résultant en une conception plus simplifiée.

​​(II) Résultats de la vérification expérimentale​
Le prototype a subi des tests rigoureux à l'aide d'un circuit expérimental équivalent (circuit oscillant LC) :

• ​Temps de commutation: Le temps de transfert du courant de la branche de conduction du courant à la branche d'interruption du courant était < 300 μs.
• ​Temps total d'interruption: Du moment où la commande d'ouverture a été reçue jusqu'à ce que le courant commence à diminuer, cela a pris environ 2,9 ms, répondant à l'objectif de conception de <3 ms.
• ​Surtension transitoire: Une surtension instantanée d'environ 800 kV a été générée pendant l'interruption, conforme au niveau de protection MOV, contrôlée et sûre.
• ​Conclusion: Les expériences ont réussi à valider la faisabilité, l'efficacité et les excellentes performances de la topologie de disjoncteur hybride haute tension en courant continu de type redresseur.

​IV. Conclusions principales:

1. La topologie hybride de type redresseur proposée dans cette solution utilise une conception innovante avec un pont de diodes pour réaliser un contrôle bidirectionnel du courant, réduisant l'utilisation des IGBT de 50 % par rapport aux solutions traditionnelles, offrant des avantages significatifs en termes d'efficacité économique et de fiabilité.
2. Les stratégies de contrôle intelligentes de pré-interruption et de fermeture douce abordent efficacement les problèmes de retard de l'action de l'interrupteur mécanique et de l'impact de la fermeture, améliorant les performances dynamiques globales du système.
3. Le développement et les tests réussis du prototype d'ingénierie de 500 kV/25 kA démontrent pleinement la faisabilité technique et la conformité des performances de cette approche technique.