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Titre : Etude de convertisseurs DC/DC pour les réseaux électriques haute tension continue (HVDC)
Financement prévu : Ecole Centrale de Lille
Cofinancement éventuel : Région
Directeur de thèse : LE MOIGNE Philippe
E-mail : philippe.lemoigne@ec-lille.fr
Co-encadrants : Delarue Philippe, Gruson François
E-mail : Philippe.Delarue@univ-lille1.fr ; Francois.GRUSON@ensam.eu
Laboratoire : L2EP – EA 2697
Equipe : Electronique de Puissance
Résumé :
Devant l’arrivée programmée des réseaux HVDC, le besoin de solutions performantes DC/DC en Haute Tension
est inéluctable et l’innovation dans ce domaine est nécessaire afin de dégager des solutions industriellement
attractives. C’est l’objet de ce sujet orienté principalement «structure et commande rapprochée en Electronique
de Puissance» pour les réseaux HVDC. Si des solutions innovantes de conversion émergent, elles pourront par
la suite être utilisées pour la gestion des réseaux HVDC et permettront le développement de nouveaux travaux
grâce aux fonctionnalités apportées par l’Electronique de Puissance aux réseaux continus.
Descriptif :
Dans le cadre des réflexions visant à exploiter au mieux les énergies renouvelables d'origine marine comme
l’éolien ou l’hydrolien off-shores, la création de réseaux électriques à haute tension continu (HVDC) pour
acheminer ces énergies jusqu'au réseau alternatif devient une nécessité. Le L2EP travaille sur ce thème depuis
5 ans avec 3 thèses soutenues [1]-[3], en étroite collaboration avec des partenaires comme RTE. Actuellement,
d’autres travaux sont en cours sur le thème des réseaux HVDC au travers de l’utilisation de structures HVDC de
type MMC (DC/AC). L’intérêt de ces travaux a permis de faire émerger une thématique transversale du
Laboratoire centrée sur les réseaux. Un démonstrateur d’un réseau DC maillé Multi-Terminaux (MTDC) a été
développé sur la plateforme Energies Réparties et présenté dans le cadre d’un projet européen TWENTIES
(http://www.twenties-project.eu/node/148). Deux prototypes de Convertisseur Modulaire Multiniveaux (projet DoMMC) sont en cours de développement et constitueront les futures interfaces continu-alternatifs du
démonstrateur «TWENTIES ».
L’interconnexion DC de plusieurs liaisons points à points amenant au développement de ce type de
réseau HVDC n’est pas directement envisageable. En effet, les niveaux de tension de ces différents réseaux
peuvent être différents (fonction des contraintes techniques, des choix constructeurs, etc….). Il sera donc
nécessaire d’introduire des convertisseurs statiques DC/DC permettant de réaliser l’adaptation en tension et
l’interfaçage de ces différents réseaux. Les niveaux de tension mis en jeu ne permettent pas d’utiliser les
structures classiques de hacheur.
Une pré-étude bibliographique montre que deux familles de structure sont déjà envisagées :
• La structure série parallèle
• L’utilisation de deux MMC en face à face connectés via un circuit AC (composé d’un circuit L, LCL ou
d’une transformateur « Haute Fréquence »)
Actuellement, peu de publications ont porté sur ce sujet, sachant que les travaux dans le domaine des
convertisseurs HT au cours des dix dernières années ont principalement portés sur les structures de type MMC
(conversion AC/DC).
Dans ce contexte, des convertisseurs DC/DC innovants doivent être proposés avec pour objectifs :
 Proposer des convertisseurs fiables ayant un haut rendement
 Contrôler le transit de puissance DC
 Adapter les tensions réseau DC
 Pouvoir réaliser un « HUB » électrique DC (interconnexion de plus de 3 réseaux DC par un nœud réalisé
à l’aide de convertisseurs d’Electronique de Puissance)
 Pouvoir agir dans le cas d'un court-circuit sur une partie d'un réseau à courant continu comme protection
active pour éviter ou limiter la propagation de ce défaut.
 …….
Le premier objectif de la thèse consiste à réaliser une étude bibliographique des structures et applications des
convertisseurs DC/DC pour les HVDC, d’en faire une synthèse (topologie, fonctionnalité, avantages et
inconvénients).
Ceci permettra de faire le point sur les besoins réels et les contraintes que devront subir ces convertisseurs
HVDC. De là, il faudra extraire des voies originales et innovantes de conversion répondant à des contraintes
spécifiques, comme l’a été la structure MMC pour l’application onduleur ou redresseur HVDC.
Les structures les plus intéressantes et leurs contrôles seront définis en rapport avec la ou les applications
souhaitées, puis simulées sous Matlab Simulink.
Une étude concernant la qualité électrique obtenue, la fiabilité effective face aux contraintes du réseau, les
pertes et le rendement permettront de quantifier l’intérêt des différentes solutions émergeantes proposées.
La réponse de ces solutions face à un court-circuit sur une partie d'un réseau à courant continu sera menée afin
d’identifier les solutions capables d’intégrer cette fonctionnalité de protection.
La réalisation d’un démonstrateur devra s’appuyer sur le matériel existant (prototypes du projet Do-MMC) et
permettra une validation expérimentale. Ce prototype pourra être introduit dans le réseau TWENTIES existant.
Références
[1] Hani Saad, “Modélisation et Simulation Temps Réel d’une Liaison HVDC de Type VSC-MMC”, these de
doctorat, Montréal, Mars 2015
[2] Pierre RAULT, “Modélisation Dynamique et Commande des Réseaux à Courant Continu MultiTerminaux Haute Tension”, these de doctorat, Mars 2014
[3] Pascal MONJEAN, “Optimisation de l’architecture et des flux énergétiques de centrales à énergies
renouvelables offshore et onshore équipées de liaisons en continu”, these de doctorat, Septembre 2012
[4] S. Inoue, and H. Akagi, “A bi-directional isolated dc/dc converter as a core circuit of the next-generation
medium-voltage power conversion system,” Proc. of IEEE Power Electronics Specialists Conference
(PESC), pp.1-7, June 2006.
[5] J. Biela, D. Aggeler, S. Inoue, H. Akagi, and J. W. Kolar, “Bi-directional isolated dc-dc converter for nextgeneration power distribution — comparison of converters using Si and SiC devices,” IEEJ Trans.
Industry Applications, vol. 128, no. 7, pp.901-909, 2008.
[6] Ferreira, J.A, "The Multilevel Modular DC Converter," IEEE Trans. Power Electronics, vol.28, no.10,
p.4460, 4465, Oct. 2013.
[7] Schon, A; Bakran, M, "A new HVDC-DC converter with inherent fault clearing capability," Power
Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on , vol., no., pp.1,10, 2-6 Sept.
2013.
[8] Kenzelmann, S; Rufer, A; Vasiladiotis, M; Dujic, D; Canales, F; de Novaes, Y.R, "A versatile DC-DC
converter for energy collection and distribution using the Modular Multilevel Converter," Power
Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 2011-14th European Conference, pp.1,10,
Aug. 30 -Sept. 1 2011.
[9] Jovcic, D; Lu Zhang, "LCL DC/DC Converter for DC Grids," IEEE Trans. Power Delivery, vol.28, no.4,
pp.2071, 2079, Oct. 2013.
[10] Jovcic, D, "Bidirectional, High-Power DC Transformer," IEEE Trans. Power Delivery, vol.24, no.4,
pp.2276, 2283, Oct. 2009.
[11] Lin, W; Jovcic, D, "Average Modelling of Medium Frequency DC–DC Converters in Dynamic Studies,"
IEEE Trans. Power Delivery, vol.PP, no.99, pp.1,1.