Contributions à la modélisation et à la validation des modèles de liaisons HVDC de Type VSC-MMC dans les outils de simulation temps réel

Le développement des réseaux de transport d'électricité est actuellement en pleine mutation. La transition énergétique en cours depuis plusieurs années, se concrétise par la fermeture de nombreuses centrales de production au charbon ou au fioul, l'installation massive de centres de production éolien et photovoltaïque et enfin une stagnation, voire une diminution de la consommation d'électricité. Cette transition impacte tous les pays d'Europe si bien que les interconnexions sont de plus en plus soumises aux variations des productions renouvelables. Cette évolution de la consommation et de la production impose l'installation de systèmes de contrôle des flux de puissance plus sophistiqués que ceux utilisés jusqu'à maintenant. On parle donc de plus en plus d'équipement à base d'électronique de puissance : liaisons à courant continu à haute tension (CCHT ou HVDC) et compensateur statique de puissance réactive. Les liaisons HVDC permettent en plus de répondre à la demande sociétale d'enfouir les ouvrages de transport d'électricité. Les réseaux de transport voient donc de plus en plus d'intégration de liaisons HVDC point à point. Le plan de développement du réseau européen ENTSO-E prévoit ainsi plus de 20 000 km de liaisons HVDC en 10 ans. Avec ce développement dans des zones relativement limitées (réseaux nationaux autour de la mer du Nord par exemple : Royaume Uni, France, Belgique, Pay-Bas, Danemark, Allemagne), la notion de réseaux à courant continu commence à se poser. Plusieurs projets de ce type de réseaux sont actuellement en cours d'étude de manière très avancée en Europe. En Chine deux réseaux HVDC sont désormais en exploitation. Depuis maintenant plus de 20 ans, des liaisons VSC (Voltage Source Converter) à base de composants IGBT (Insulated Fate Bipolar Transistor) ou GTO (Gate Turn Off Thyristor) ont commencé à être installées. Elles étaient initialement synonymes d'onduleur autonome à modulation de largeurs d'impulsions et les commutations étaient réalisées à des fréquences de quelques centaines de Hz (voire quelques kHz pour les IGBT). La difficulté d'assembler des centaines de GTO/IGBT et de diodes en série pour former des valves à très haute tension (plus de 100 kV) et/ou le besoin de maîtriser les pertes par commutation dissipées dans ses convertisseurs ont conduit les constructeurs à privilégier des structures modulaires où de nombreux modules sont connectés en cascade. Les convertisseurs à multi-niveaux (MMC - Modular Multilevel Converter) vont de quelques dizaines de niveaux à plusieurs centaines en fonction de la technologie et du niveau de tension.

Abstract

Development of electrical transmission grids is presently undergoing radical changes. The energy transition towards renewable energy started a few years ago. It leads to closure of many coal-fired or oil-fired power plants, massive construction of photovoltaic plants and wind farms and a stagnation of electrical consumption. This transition has a huge impact in Europe on the electrical interconnections between countries. Sophisticated equipment to control power flow are now more and more required in this context. Power electronic based devices are often selected such as High-Voltage Direct Current transmission systems (HVDC) and Static Var Compensator (SVC). HVDC also offers a practical solution to the public demand to use underground cables instead of overhead lines. More and more HVDC point-to-point link are now integrated in transmission grids. More than 20,000 km of HVDC lines are expected in the 10-year ENTSO-E development plan. This development will occur in a limited area in Europe (national grid around the North Sea: United Kingdom, France, The Netherlands, Denmark, Germany) providing an opportunity to design HVDC grids. Several HVDC grids projects are now planned in Europe. In China, 2 HVDC grids are already in operation. Voltage Source Converters (VSC) have been installed on transmission grids for more than 20 years. They have been limited until 2010 to the two-level and three level diode-clamped topology with switching frequencies around a few kHz. Several practical limitations as switching losses and difficulties in assembling very high voltage valves have been overcome by the modular technology called MMC (Modular Multilevel Converter). This topology consists of several sub-modules (SM) connected in series. Number of SMs per valve can go from a few tenth to several hundreds. MMC is now the quasi exclusive solution for AC/DCCC conversion on transmission grids in Europe. Technical solutions up to 400 kV and even 500kV DC are under construction. In order to prepare the installation and analyze the behavior of MMC converters connected to grids with high penetration of power electronics based devices, reliable and accurate simulation tools are required. Electromagnetic Transient (EMT) tools are usually used in this context because they handle a detailed representation of converters and control systems. In addition to EMT offline simulation, real-time simulation with HVDC control systems replicas becomes more and more popular. This is why, real-time simulation laboratories with replicas have been constructed or are planned in most of areas where HVDC is massively installed.