Amélioration des performances des convertisseurs HVDC mis en oeuvre pour le raccordement des parcs éoliens offshore lointains : évaluation du potentiel des nouveaux composants IGCT

Depuis plus d'une dizaine d'années, le raccordement à courant continu haute tension (HVDC) des parcs éoliens en mer s'intensifie. Cela permet de transporter vers le continent des niveaux de puissance avoisinant le GW, sur des distances sous-marines excédant la cinquantaine de kilomètres. Un enjeu clé lié au dimensionnement des stations de conversion HVDC, basées sur des MMC (convertisseurs modulaires multiniveaux), est leur rendement. Rien que 0.1% de pertes représente plusieurs GWh perdus pour chaque année d'exploitation du parc éolien. Ces pertes sont liées aux caractéristiques des semi-conducteurs utilisés. Aujourd'hui, l'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) est le seul composant utilisé dans ce type d'application. Historiquement, l'IGBT a été développé pour des applications industrielles de moyenne puissance, et ne parait pas a priori bien placé pour réaliser des systèmes HVDC. A contrario, l'IGCT (thyristor intégré commuté par la gâchette) présente quant à lui des performances et des spécificités qui semblent mieux adaptées, néanmoins son usage dans de tels systèmes n'a jamais été considéré. Le but de cette thèse est d'optimiser le rendement de convertisseurs HVDC à base d'IGCT, dans le cadre du raccordement des parcs éoliens en mer. Ce travail a fait l'objet d'une collaboration entre le Laboratoire LAPLACE à Toulouse, EDF R&D, et le fabricant de semi-conducteurs Hitachi ABB Power Grids, Semiconductors. Dans un premier temps, les caractéristiques statiques et dynamiques des IGCT ont été relevées expérimentalement sur un banc d'essais impulsionnel. Un modèle électro-thermique a ensuite été élaboré, ceci afin de déterminer avec précision les pertes dans la centaine de sous-modules équipant un bras de MMC. Cette approche a permis de comparer différents IGCT suivant les niveaux de pertes, en prenant en compte l'intermittence de production du parc éolien en mer. Suite à cette étude basée sur des calculs et des simulations, un banc d'essais en régime permanent, constitué de deux cellules à base d'IGCT mises en opposition, a été conçu et mis en oeuvre afin de mesurer avec précision les pertes en conduction et les pertes par commutation grâce à une instrumentation dédiée. Avec une tension de travail allant jusqu'à 5 kV et des courants dépassant 2 kA, des composants 4.5 kV et 10 kV ont pu été testés dans des conditions de fonctionnement équivalentes à celles d'une station HVDC d'une puissance de 1 GW. Les mesures de pertes utilisant la méthode calorimétrique ont pu confirmer la validité des modèles électro-thermiques relatifs à IGCT et à son circuit d'aide à la commutation, avec une précision de l'ordre de 10%. Les relevés des formes d'onde ont mis en avant des écarts plus importants concernant les pertes par commutation, causés par les inductances parasites de connexion au sein de la cellule de commutation. L'utilisation croisée des modèles de pertes et des mesures expérimentales démontre que les IGCT 4.5 kV peuvent permettre une montée en puissance notable des stations HVDC à base de MMC, tandis que les IGCT 6.5 kV et 10 kV sont les plus adaptés pour accompagner la montée en tension des câbles HVDC. Les circuits permettant la commutation douce des composants sont prometteurs afin de réduire le volume des sous-modules, et seraient particulièrement favorables aux composants 6.5 kV et 10 kV, dont les pertes par commutation constituent le principal facteur limitant

Power Semiconductors for An Energy-Wise Society

This IEC White Paper establishes the critical role that power semiconductors play in transitioning to an energy wise society. It takes an in-depth look at expected trends and opportunities, as well as the challenges surrounding the power semiconductors industry. Among the significant challenges mentioned is the need for change in industry practices when transitioning from linear to circular economies and the shortage of skilled personnel required for power semiconductor development. The white paper also stresses the need for strategic actions at the policy-making level to address these concerns and calls for stronger government commitment, policies and funding to advance power semiconductor technologies and integration. It further highlights the pivotal role of standards in removing technical risks, increasing product quality and enabling faster market acceptance. Besides noting benefits of existing standards in accelerating market growth, the paper also identifies the current standardization gaps. The white paper emphasizes the importance of ensuring a robust supply chain for power semiconductors to prevent supply-chain disruptions like those seen during the COVID-19 pandemic, which can have widespread economic impacts.The white paper highlights the importance of inspiring young professionals to take an interest in power semiconductors and power electronics, highlighting the potential to make a positive impact on the world through these technologies.The white paper concludes with recommendations for policymakers, regulators, industry and other IEC stakeholders for collaborative structures and accelerating the development and adoption of standards

HVDC transmission : technology review, market trends and future outlook

HVDC systems are playing an increasingly significant role in energy transmission due to their technical and economic superiority over HVAC systems for long distance transmission. HVDC is preferable beyond 300–800 km for overhead point-to-point transmission projects and for the cable based interconnection or the grid integration of remote offshore wind farms beyond 50–100 km. Several HVDC review papers exist in literature but often focus on specific geographic locations or system components. In contrast, this paper presents a detailed, up-to-date, analysis and assessment of HVDC transmission systems on a global scale, targeting expert and general audience alike. The paper covers the following aspects: technical and economic comparison of HVAC and HVDC systems; investigation of international HVDC market size, conditions, geographic sparsity of the technology adoption, as well as the main suppliers landscape; and high-level comparisons and analysis of HVDC system components such as Voltage Source Converters (VSCs) and Line Commutated Converters (LCCs), etc. The presented analysis are supported by practical case studies from existing projects in an effort to reveal the complex technical and economic considerations, factors and rationale involved in the evaluation and selection of transmission system technology for a given project. The contemporary operational challenges such as the ownership of Multi-Terminal DC (MTDC) networks are also discussed. Subsequently, the required development factors, both technically and regulatory, for proper MTDC networks operation are highlighted, including a future outlook of different HVDC system components. Collectively, the role of HVDC transmission in achieving national renewable energy targets in light of the Paris agreement commitments is highlighted with relevant examples of potential HVDC corridors

Convertisseurs modulaires multiniveaux pour le transport d'énergie électrique en courant continu haute tension

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. Elle permet de réaliser un calcul rapide et direct du rendement du système. Une étude de cas est réalisée en considérant la connexion HVDC d’une plateforme éolienne off-shore. La puissance nominale du système étudié est de 100 MW avec une tension de bus continu égale à 160 kV. Les différentes topologies MMC sont évaluées en utilisant des IGBT ou des IGCT en boitier pressé. Les simulations réalisées valident l’approche analytique faite précédemment et permettent également d’analyser les modes de défaillance. L’étude est menée dans le cas d’une commande MLI classique avec entrelacement des porteuses. Enfin, un prototype triphasé de 10kW est mis en place afin de valider les résultats obtenus par simulation. Le système expérimental comporte 18 cellules de commutations et utilise une plate-forme DSP-FPGA pour l’implantation des algorithmes de commande. ABSTRACT : This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform

Review of MVDC applications, technologies, and future prospects

This paper presents a complete review of MVDC applications and their required technologies. Four main MVDC applications were investigated: rail, shipboard systems, distribution grids, and offshore collection systems. For each application, the voltage and power levels, grid structures, converter topologies, and protection and control structure were reviewed. Case studies of the varying applications as well as the literature were analyzed to ascertain the common trends and to review suggested future topologies. For rail, ship, and distribution systems, the technology and ability to implement MVDC grids is available, and there are already a number of case studies. Offshore wind collection systems, however, are yet able to be implemented. Across the four applications, the MVDC voltages ranged from 5–50 kV DC and tens of MW, with some papers suggesting an upper limit of 100 kV DC and hundreds of MV for distribution networks and offshore wind farm applications. This enables the use of varying technologies at both the lower and high voltage ranges, giving flexibility in the choice of topology that is required required

Modular multilevel converters: Recent applications [History]

The story of the modular multilevel converter (MMC) started with its invention by Prof. Rainer Marquardt in 2001. Since then, this new concept has been recognized as a milestone achievement in power electronics. MMCs have revolutionized the capabilities of power conversion technologies, particularly in high-voltage dc (HVdc) transmission systems

Optimized Modulation and Thermal Management for Modular Power Converters

The transition to a more and more decentralized power generation based on renewable energy generation is accompanied by high challenges. Modular power converters play a central role in facing these challenges, not only for grid integration but also to provide flexible services, highly efficient power transmission and safe storage integration. These goals are the key elements in becoming independent from fossil and nuclear power plants in near future. Even if the costs for renewable energy power plants like wind or photovoltaic systems are already competitive to conventional solutions, more flexible operation and further reduction in costs are required for faster global transformation towards sustainable energy systems. The further optimization of modular power converters can be seen as an ideal way to achieve these ambitious goals. It is therefore chosen as the focus of this work

Modular Multilevel Converters: Recent Achievements and Challenges

The modular multilevel converter (MMC) is currently one of the power converter topologies which has attracted more research and development worldwide. Its features, such as high quality of voltages and currents, high modularity and high voltage rating, have made the MMC a very good option for several applications including high-voltage dc (HVdc) transmission, static compensators (STATCOMs), and motor drives. However, its unique features such as the large number of submodules, floating capacitor voltages, and circulating currents require a dedicated control system able to manage the terminal variables, as well as the internal variables with high dynamical performance. In this paper, a review of the research and development achieved during the last years on MMCs is shown, focusing on the challenges and proposed solutions for this power converter still faces in terms of modeling, control, reliability, power topologies, and new applications

Application of Modular Multilevel Converter technology to HV power supplies of Neutral Beam injector

Evaluation of the possible application of Modular Multilevel Converter at the AGPS of NBI