Résumé technique : Contraintes d'ondulation des condensateurs du bus DC dans les convertisseurs à quatre fils appartenant aux services publics

Énoncé du problème

Les gestionnaires de réseaux de distribution explorent de plus en plus l'utilisation de convertisseurs de puissance (par exemple, les points d'ouverture douce, les STATCOM) pour gérer les flux de puissance et augmenter la réserve de capacité des actifs sans renforcement traditionnel du réseau. Cependant, les modèles algébriques existants pour ces convertisseurs négligent souvent les contraintes thermiques des condensateurs du bus DC lors de conditions de fonctionnement déséquilibrées.

Lorsqu'un convertisseur de source de tension (VSC) injecte des courants déséquilibrés pour atténuer les déséquilibres de phase, il génère une ondulation de basse fréquence sur le bus DC. Cette ondulation provient de deux sources principales :

1. Le courant de retour par le neutre à la fréquence de ligne : se produisant dans les topologies à condensateurs divisés (split-capacitor).
2. L'oscillation de puissance à la double fréquence de ligne : causée par l'ondulation de la puissance active non compensée entre les phases.

Ces courants d'ondulation imposent des charges thermiques aux condensateurs du bus DC (via leur résistance série équivalente). Si la limite thermique du condensateur est dépassée, la capacité du convertisseur à injecter les courants déséquilibrés nécessaires est restreinte. L'article postule que négliger ces contraintes conduit à une surestimation des bénéfices que les VSC peuvent apporter pour les applications d'équilibrage de phase.

Méthodologie

Les auteurs ont développé un cadre analytique pour modéliser les VSC avec des contraintes explicites d'ondulation du bus DC et ont mené une analyse paramétrique sur neuf topologies de VSC différentes.

1. Cadre de modélisation :

• Topologies de convertisseurs : L'étude a analysé des VSC à trois branches, quatre branches et reconfigurables. La topologie à quatre branches inclut un bus DC divisé pour permettre le retour du courant de neutre, tandis que la topologie à trois branches repose sur le point milieu du bus DC divisé pour le retour du neutre.
• Contraintes d'ondulation : Le modèle définit la charge thermique sur le condensateur en fonction des courants d'ondulation à la fréquence de ligne ($\omega$) et à la double fréquence de ligne ($2\omega$). Un courant d'ondulation maximal admissible ($I^{\text{Max}}_{\text{ripple}}$) est dérivé en fonction de la limite thermique du condensateur et des pertes de commutation.
• Problème d'optimisation : L'objectif central est de minimiser la charge maximale des phases sur un actif de distribution en injectant des courants optimaux ($I_{HB}$) à partir du VSC. Cela est formulé comme un problème d'optimisation sous contraintes (Éq. 15) qui minimise le courant de phase maximal tout en respectant :
  • Les limites thermiques des semi-conducteurs.
  • L'équilibre de la puissance active (injection de puissance active nette nulle).
  • Les contraintes d'ondulation du bus DC dérivées (Éq. 9).

2. Configuration de la simulation :

• Source de données : Deux semaines de données de demande provenant d'un poste secondaire de 500 kVA au Royaume-Uni.
• Scénarios : Trois cas spécifiques ont été simulés avec des capacités de branche totales et des configurations de bus DC variables :
  • Cas (i) : Capacité totale de 150 A, bus DC divisé (36 kVA).
  • Cas (ii) : Capacité totale de 150 A, bus DC monolithique (36 kVA).
  • Cas (iii) : Capacité totale de 30 A, bus DC divisé (7,2 kVA).
• Analyse paramétrique : La capacité maximale de courant d'ondulation du bus DC ($I^{\text{Max}}_{\text{ripple}}$) a été faisant varier de 0 A au maximum théorique pour chaque topologie afin d'observer l'impact sur la performance.

Principales contributions

• Limites analytiques : Ce travail fournit des limites analytiques pour les valeurs minimale et maximale de l'ondulation du bus DC, liant directement le dimensionnement du condensateur aux contraintes opérationnelles lors d'une injection déséquilibrée.
• Comparaison de topologies : Contrairement aux travaux précédents qui se concentraient sur des topologies spécifiques, cette étude compare une gamme complète de configurations VSC courantes (3 branches, 4 branches et reconfigurables) sur tout le spectre raisonnable des capacités thermiques des condensateurs.
• Quantification des limitations : L'article démontre que les bénéfices des VSC pour l'équilibrage de phase ne sont pas linéaires avec la taille du condensateur ; au contraire, ils sont sévèrement plafonnés lorsque les capacités d'ondulation sont insuffisantes.

Résultats

Les résultats de la simulation soulignent une dépendance significative des bénéfices du VSC vis-à-vis des capacités d'ondulation du bus DC :

• Impact de la capacité d'ondulation : À mesure que le courant d'ondulation admissible du bus DC augmente, la « Réserve additionnelle » (la réduction de la charge de phase maximale) augmente de manière monotone.
• Ampleur de l'impact :
  • Pour le grand VSC avec un bus DC divisé (Cas i), l'augmentation de la capacité d'ondulation de 0 A au maximum (75 A) fait plus que doubler le bénéfice de la réserve additionnelle.
  • Pour le bus DC monolithique (Cas ii), où le chemin de retour du neutre est absent, la limite d'ondulation est plus faible (50 A), mais la différence entre la réserve minimale et maximale reste supérieure à 80 %.
  • Pour le petit VSC (Cas iii), qui sature fréquemment, la différence relative des bénéfices entre les faibles et les hautes capacités d'ondulation est encore plus prononcée.
• Performance des topologies :
  • À une capacité d'ondulation nulle, le VSC à 3 branches performe mal car il ne peut pas injecter de courants nuls ou de séquence négative (courants équilibrés uniquement).
  • À mesure que la capacité d'ondulation augmente, le VSC à 3 branches finit par surpasser la conception à 4 branches en termes de libération de réserve. Cela s'explique par le fait que la conception à 3 branches utilise le point milieu du bus DC divisé pour le retour du neutre, lui permettant d'exploiter plus efficacement sa capacité de courant par branche plus élevée (50 A contre 37,5 A pour le 4 branches) une fois les contraintes thermiques assouplies.
  • Le VSC reconfigurable fournit systématiquement la limite supérieure théorique la plus élevée pour les bénéfices.

Signification et affirmations

L'article conclut que les modèles de VSC conventionnels, qui ne considèrent généralement que les contraintes de courant et de puissance par phase, sont inadéquats pour la conception de convertisseurs appartenant aux services publics destinés à un fonctionnement déséquilibré.

• Fidélité du modèle : Négliger les contraintes d'ondulation des condensateurs du bus DC risque de surestimer considérablement les bénéfices des convertisseurs. L'étude montre qu'à travers neuf topologies, la différence minimale de bénéfices globaux entre un modèle avec et sans contraintes d'ondulation est de 80 %.
• Implications de conception : Les auteurs soutiennent que des modèles de convertisseurs détaillés incluant les contraintes thermiques d'ondulation sont nécessaires pour une planification de système précise.
• Contexte des services publics : L'article suggère que les convertisseurs appartenant aux services publics sont particulièrement bien adaptés à cette approche de modélisation détaillée car les opérateurs de système peuvent influencer la topologie, la conception et les stratégies de contrôle. Cela permet la co-optimisation de la conception du convertisseur et des profils de mission, améliorant ainsi la compétitivité face aux solutions alternatives de renforcement du réseau.

Les auteurs maintiennent un champ d'application modeste, notant que des travaux futurs pourraient explorer les interactions avec l'ondulation de la tension du bus DC, les sources de puissance active et les topologies de filtres ou de niveaux multiples alternatives, mais les conclusions actuelles établissent fermement la nature critique des limites thermiques des condensateurs dans les applications VSC déséquilibrées.