Liaisons HVDC: structure, contrôle et modélisation

Liaisons HVDC: structure, contrôle et modélisation
Technologies VSC et MMC
Mémoire présenté par
Martin FUNCK , Joseph VANDENDORPE
pour l’obtention du grade de master en
ingénieur civil électromécanicien
Option: Énergie
Promoteur
Emmanuel DEJAEGER
Lecteurs
Marc BEKEMANS, Jean-Didier LEGAT
Année académique 2015-2016

UNIVERSIT´ E CATHOLIQUE DE LOUVAIN
´
ECOLE POLYTECHNIQUE DE LOUVAIN
Liaisons HVDC: structure, contrˆole et mod´elisation
par Martin Funck et Joseph Vandendorpe
Abstract
In the context of a future global grid, High Voltage Direct Current (HVDC) links will
play a central role. New technologies of semi-conductors and control devices have made
possible HVDC project with Voltage Source Converters. This technology has several ad-
vantages, allowing it to make a growing presence in the HVDC projects. A new topology
of VSC has been developed in recent years : Modular Multilevel Converters (MMC).
They have some advantages over classic VSC like a lesser need of filters.
In the first part of this thesis, we will introduce HVDC. We will then study the struc-
ture and the control of VSC links and an MMC station. The latter has a more complex
structure. They need the implementation of other controls. The operation of filters will
be discussed in this part.
In the second part, these modulation technics will be applied and analysed on models
with MatLab-Simulink. The study of VSC classic will be made on an existing model. We
developed a model to analyse MMC operations.
This whole thesis allows us to get a global view of different types of HVDC technologies.

Remerciements
Nous voulons remercier particuli`erement notre promoteur Emmanuel De Jaeger pour le
suivi de ce travail. Nous le remercions ´egalement de nous avoir transmis sa passion des
r´eseaux ´electriques. Ses conseils et ses critiques ont grandement contribu´e `a la r´ealisation
de ce travail.
Martin
Je tiens `a remercier Caroline pour sa gentillesse et son soutien durant cette ann´ee de
travail.
Je remercie ´egalement mes parents, Claire et Jean-Fran¸cois, pour leurs encouragements
et leurs conseils durant mes ´etudes.
Enfin, je veux remercier ma famille et mes amis qui m’ont soutenu dans la r´ealisation
de ce m´emoire.
Joseph
Je souhaite remercier les personnes suivantes, qui m’ont aid´ees d’une mani`ere ou d’une
autre durant mes ´etudes, jusqu’`a la r´ealisation de ce TFE.
Mes parents, Cathy Hers et Jean-Marie Vandendorpe, pour m’avoir permis de faire
ces ´etudes, et m’avoir soutenu tout au long de celles-ci.
Mes amis, pour la bienveillance qu’ils ont en commun, et pour leurs qualit´es indivi-
duelles : Barth´el´emy Deutsch, Bastien Schumer, Simon Van Haverbeke, Flavie Nuytten,
Pierre Billon, ainsi que mes amis Walhinois et Gembloutois.
Mes colocataires, qui m’ont permis de vivre dans un climat agr´eable, reposant, et pro-
pice `a mon travail durant ces ann´ees : Eloy Dalton, Bastien De Maagd, Manon Ursule
de Hepc´ee, Maxime de Hepc´ee, Maxence Carlier, Camille Marguerite, Charles Martin,
Gabrielle van Outryve d’Ydewalle et Estelle Collard.

Table des mati`eres
Abstract
Remerciements
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Abbr´eviations
Symboles
Introduction 1
I´ Etat de l’art de la technologie HVDC 2
1 Contexte 3
1.1 AC vs. DC ................................... 3
1.2 Historique .................................... 6
1.3 Applications ................................... 7
1.4 Types de configurations HVDC ........................ 8
1.5 Perspectives futures : l’HVDC au centre de la transition ´energ´etique . . . 10
2 Current Source Converters 13
2.1 Principe de fonctionnement .......................... 13
2.2 Caract´eristiques et limitations ......................... 15
3 Voltage Source Converters 17
3.1 Vue d’ensemble d’une liaison VSC ...................... 18
3.2 Contrˆole ..................................... 19
3.2.1 Structure de contrˆole .......................... 20
3.2.2 Contrˆole externe ............................ 22
3.2.3 Contrˆole interne ............................ 25
3.2.4 Pulse Width Modulation ........................ 26
3.3 Caract´eristiques ................................. 28

Contents
4 Les convertisseurs modulaires multi-niveaux (MMC) 29
4.1 Les diff´erents designs .............................. 29
4.2 Principe de fonctionnement et mod´elisation des MMC ........... 32
4.2.1 Structure et fonctionnement du sub-module ............. 32
4.2.2 Structure et fonctionnement d’un MMC monophas´e ........ 34
4.2.3 Structure et fonctionnement d’un MMC triphas´e .......... 36
4.2.4 ´ Etude des courants de bras ...................... 37
4.3 Contrˆole ..................................... 41
4.3.1 Contrˆole externe ............................ 41
4.3.2 Contrˆole interne ............................ 41
4.3.2.1 ´ Equilibrage des tensions des capacit´es ........... 42
4.3.2.2 Techniques de modulation - Strat´egies de commutation . 43
4.3.2.3 Courant circulant ...................... 45
5 Filtres 46
5.1 Filtres pour CSC ................................ 46
5.1.1 Filtres AC ................................ 46
5.1.2 Filtres DC ................................ 50
5.2 Filtres pour VSC ................................ 51
5.2.1 Filtres AC ................................ 51
5.2.2 Condensateur DC ........................... 52
II Mod´elisations et simulations 53
6 Mod´elisation d’une liaison VSC 54
6.1 Description du mod`ele ............................. 55
6.2 Contrˆole ..................................... 57
6.2.1 Blocs satellites ............................. 57
6.2.2 Contrˆole externe ............................ 58
6.2.3 Contrˆole interne ............................ 59
6.2.4 ´ Equilibrage de la tension DC ..................... 59
6.2.5 PWM 3-niveaux ............................ 60
6.3 Harmoniques et filtres ............................. 61
6.4 Inversion du flux de puissance active ..................... 64
6.5 Variation de la commande de puissance r´eactive ............... 67
6.6 Creux de tension ................................ 68
6.7 D´efauts AC ................................... 69
6.8 D´emarrage de la liaison ............................ 70
6.9 D´efaut DC ................................... 71
7 Mod´elisation de stations MMC 73
7.1 Les deux mod`eles ................................ 73
7.1.1 Mod`ele `a valeurs moyennes ...................... 74
7.1.2 Mod`ele d´etaill´e ............................. 78
7.1.3 Validation des mod`eles ......................... 81
7.2 Strat´egies de contrˆole ............................. 82
7.2.1 ´ Equilibrage des capacit´es ....................... 82