Couplage de fréquence de 100 MW entièrement
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C O U P L A G E D E F R É Q U Couplage de fréquence de 100 MW entièrement statique de Bremen Pour l’échange d’énergie entre un réseau ferroviaire et le réseau national, on utilise actuellement de préférence des convertisseurs de fréquence statiques. Avec sa puissance de 100 MW, l’installation de couplage de fréquence entièrement statique réalisée en technologie GTO de Bremen est mondialement la plus grande de ce genre. Le développement conséquent des thyristors GTO, une commande d’un nouveau type et le couplage en série des GTO ont rendu possible la construction économique d’un couplage de fréquence entièrement statique de 16 2⁄3 Hz – 50 Hz d’une puissance aussi élevée. Par rapport aux installations antérieures, ce couplage se distingue par un comportement sensiblement amélioré du rendement sur toute la gamme de puissance et par une disponibilité plus élevée. P our des raisons historiques, les réseaux ferroviaires de nombreux pays sont exploités avec une fréquence qui diffère de celle du réseau national ou avec du courant continu [1,2,3]. D’une part, les compagnies ferroviaires disposent de leurs propres centrales électriques, mais d’autre part, leurs réseaux sont le plus souvent reliés aux réseaux nationaux, à cause de leur besoin de puissance fortement variable. Par exemple en Allemagne, environ 40 couplages de réseau existent entre le réseau ferroviaire et le réseau national. Les chemins de fer couvrent environ un quart de leur besoin d’énergie par ces couplages. Ceuxci participent également à la stabilisation du réseau ferroviaire. Etant donné que la plupart de ces couplages permettent l’échange d’énergie dans les deux directions, c’est-à-dire du réseau national vers le réseau ferroviaire et vice versa, la production de courant du réseau ferroviaire peut être plus économique. neaux sont produites dans l’aciérie Bremen GmbH. Ce gaz est mené par des gazoducs dont le diamètre atteint 1,8 m vers la centrale électrique voisine de Mittelsbüren. Les Stadtwerke Bremen AG en produisent du courant électrique ferroviaire livré à la Deutsche Bahn AG. Cette collaboration exercée avec succès depuis 1964 pour l’utilisation du gaz de hauts fourneaux signifie un grand profit pour l’environnement, car elle permet d’économiser du charbon dans d’autres centrales électriques et donc de réduire fortement les émissions de CO2. Rüdiger Boeck Stadtwerke Bremen AG Osvin J. Gaupp Peter Dähler Eugen Bärlocher E N C E Pourtant, par suite de la diminution du besoin d’électricité ferroviaire pendant les fins de semaine, une partie du gaz de hauts fourneaux devait jusqu’ici être brûlée à la torche. Par le couplage de fréquence entièrement statique de 100 MW qui vient d’être mis en service à Mittelsbüren 1 , 2 , 3 , les Stadtwerke Bremen peuvent transformer du courant ferroviaire en courant triphasé et vice versa, en améliorant en même temps l’utilisation du gaz de hauts fourneaux. A l’avenir, presque toute la quantité de gaz pourra être utilisée pour la production d’électricité. Ce que la Deutsche Bahn AG n’utilise pas est transformé et alimenté dans le réseau des Stadtwerke Bremen AG. Jusqu’à ce jour, l’avantage écologique de cette coopération entre l’aciérie, les chemins de fer et les Stadtwerke se manifeste par env. 750 000 t de CO2 par année dont l’émission est évitée dans d’autres centrales électriques. Avec le nouveau convertisseur, l’environnement est soulagé d’env. 150 000 t de CO2 supplémentaires. En complément, le couplage de fréquence entièrement statique pour le transport d’énergie du réseau de 16 2⁄3 Hz dans celui de 50 Hz et vice versa améliore la sécurité des fournitures des deux réseaux, étant donné qu’une pénurie d’énergie de l’un d’eux peut être compensée avec l’aide de l’autre. Par le couplage des réseaux, les sections de courant ferroviaire de la centrale Mittelsbüren peuvent être intégrées dans la production de courant triphasé, ou inversement, le réseau ferroviaire peut être alimenté à prix avantageux par le réseau de 50 Hz, en cas de manque de gaz de hauts fourneaux ou lorsque la pleine puissance de la centrale n’est pas disponible pour une autre raison quelconque. Ce faisant, on assure que toutes les centrales sont constamment adaptées à la situation des alimentations, du combustible et des coûts, et que les obligations de livraison envers la Deutsche Bahn AG peuvent toujours être garanties, indépendamment de la livraison de gaz de hauts fourneaux. Johannes Werninger Exploitation du couplage de fréquence et protection de l’environnement Lors de la production de fonte brute, de grandes quantités de gaz de hauts four- 4 Revue ABB 9/10 1996 ABB Industrie AG Plinio Zanini ABB Production d’énergie SA Des blocs de machines tournantes aux convertisseurs statiques Autrefois, les stations de conversion de fréquence entre les réseaux ferroviaires et nationaux étaient équipées de convertis- C O U P L 1 A G E D L d/ 2 E F 2 R É Q U E N A E 3 + 6 C 7 8 CF Cf 9 B CD 112 kV 50 Hz 121 kV 16 2/3 Hz 13 Y Y D 5 LF Rf Lf 12 × D 4 L d/ 2 11/23 12 - 5/13 10 11 1 Schéma de principe du couplage de fréquence entièrement statique de 100 MW Bremen A B Réseau triphasé Réseau ferroviaire 1 2 3 4 5 Convertisseur à thyristors Circuit intermédiaire à tension continue Convertisseur GTO (12 x) Installation de filtrage et de compensation (11/23, 5/13: filtres) Circuit d’extinction totalisateur SLK seurs tournants. Parallèlement aux progrès et à la fiabilité de l’électronique de puissance depuis l’introduction des thyristors déclenchables (GTO), on préfère de plus en plus les installations de conversion statiques, à savoir pour les raisons suivantes: • Comportement du rendement amélioré d’env. 5 % sur toute la gamme de puissance [2] • Frais d’investissement plus bas, à cause de la suppression des fondations coûteuses des machines rotatives • Temps de maintenance et d’arrêt plus courts et donc disponibilité accrue • Simplification du service, par la construction modulaire de composants plus facilement manipulables Les couplages de fréquence statiques pour réseaux ferroviaires en usage jusqu’à ce 6 7 8 9 10 11 12 13 Impédance de lissage Filtre 33 Hz Filtre passe-haut Condensateurs de circuit intermédiaire proches du convertisseur Limiteur de tension Barres collectrices du circuit intermédiaire Transformateur additionneur, réseau ferroviaire Transformateur de convertisseur, réseau triphasé jour sont formés d’unités de convertisseurs de 15 MVA au maximum. ABB a accompli un premier pas en direction de puissances plus élevées dans l’installation des Chemins de fer fédéraux suisses (CFF) de Giubiasco de 2 fois 25 MVA. Celle-ci est en exploitation commerciale depuis 1994 [1, 3]. Bremen: puissance élevée avec un seul convertisseur En 1991, les Stadtwerke Bremen AG avaient mandaté ABB Production d’énergie SA et ABB Industrie SA pour l’élaboration d’une étude de faisabilité d’un convertisseur de fréquence de haute puissance pour 16 2⁄3 Hz – 50 Hz, avec GTO branchés en série et d’une puissance de conversion devant atteindre 100 MW dans les deux directions. Cette étude a montré que par un développement sélectif des GTO, par une nouvelle commande dure et par le couplage série des GTO [4], il était possible de construire un couplage de fréquence entièrement statique pour 16 2⁄3 Hz – 50 Hz de haute puissance. Les données principales du couplage de fréquence Bremen sont rendues dans le Tableau 1. L’installation est formée d’un seul convertisseur de 100 MW/MVA. Le grand bond de puissance réalisé a été rendu possible par plusieurs pas d’innovations au profit de la technologie GTO, tout en assurant la fiabilité la plus élevée. En comparaison des convertisseurs formés de plusieurs installations partielles, la Revue ABB 9/10 1996 5 C O U P L A G E D E F R É Q U 100 MVA, cos ϕ = 0,8 100 MVA, cos ϕ = 1,0 Réseau triphasé Tension de service Fréquence de service 112 kV ± 5 % 50 Hz ± 0,5 % Réactions sur le réseau triphasé Harmoniques de tension selon VDEW Réseau ferroviaire Tension de service nominale (100 MVA) Gamme de la tension de service Gamme de la fréquence de service 121 kV 97...123 kV 16 2⁄3 Hz ± 2 % Réactions sur le réseau ferroviaire Harmoniques de tension Distorsion totale Pn DU 150 ≤ 0,5 % Rendement garanti Puissance sur la barre collectrice 16,7 Hz Direction de transport 16 2⁄3 Hz ⇒ 50 Hz 72 MW, cos ϕ = 0,8 90 MW, cos ϕ = 1,0 94,9 % 95,6 % N 8 12 E Configuration et disposition du couplage de fréquence Le circuit principal du couplage de réseaux Bremen 1 est formé essentiellement du convertisseur à thyristors du côté triphasé, du circuit intermédiaire à tension continue, ainsi que du convertisseur GTO et des transformateurs du convertisseur du côté ferroviaire. On y trouve également les équipements de filtrage et de compensation du réseau triphasé et du circuit intermédiaire, ainsi que les principaux appareils de protection contre les surten- Vue en plan du couplage de fréquence avec rez-de-chaussée du bâtiment des convertisseurs 1 Local des transformateurs auxiliaires 8 Echangeur de chaleur eau/air T11–T13 2 Local du filtrage 50 Hz 9 Local du convertisseur 50 Hz et SLK T01 3 Distribution ASC et AC 10 Installation de récupération L210 4 Local des batteries du refroidissement 16 2⁄3 Hz L401 5 Installation de distribution 20 kV 11 Local du convertisseur 16 2⁄3 Hz 6 Distribution DC 12 Ventilation L433 7 Installation de récupération 13 Condensateurs du filtre 33 Hz du refroidissement 50 Hz 14 Gaines de ventilation T 12 C puissance élevée concentrée sur un seul convertisseur fournit un rendement plus élevé. Par suite du nombre plus petit de composants, la fiabilité est par principe plus élevée, tandis que les frais d’investissement et d’exploitation sont plus bas. Dans l’installation Bremen, il est essentiel que la redondance soit assurée dans le convertisseur lui-même. Tableau 1: Données principales du couplage de fréquence Bremen Puissance nominale permanente Transport d’énergie dans les deux sens, mesuré du côté ferroviaire E 2 Transformateurs 16 2⁄3 Hz Transformateur 50 Hz Compensation de puissance réactive 50 Hz Impédance de lissage Impédance du filtre 33 Hz L 210 T 13 12 14 6 M P 10 M 4 3 1 P 7 9 13 5 2 11 L 401 T 11 6 Revue ABB 9/10 1996 L 433 T 01 Z 50 C 1 O U P L A G E D E F R É Q U E N C E 4 3 2 3 Couplage de fréquence entièrement statique de 100 MW Bremen 1 Bâtiment des convertisseurs 2 sions dans le circuit intermédiaire et pour la protection de l’installation lors d’un décrochage de l’onduleur (SLK). Dans le réseau des Stadtwerke Bremen AG, la tension et la fréquence sont pratiquement constantes. En revanche, dans le réseau ferroviaire, tant la tension (97 à 123 kV) que la fréquence (16,3 à 17,0 Hz) peuvent varier fortement en exploitation normale. La tension nominale et le courant nominal du circuit intermédiaire sont 10 kV, resp. 10,5 kA. L’installation a été placée directement derrière la station de distribution 110 kV des Stadtwerke Bremen AG, à la limite de l’installation de distribution de 110 kV de la Deutsche Bahn AG. Un bâtiment de deux étages abrite les convertisseurs, la commande, la régulation et la surveillance. A cause de la pollution considérable de l’air par l’aciérie et par suite du climat maritime, tous les bancs de condensateurs se trouvent également dans le bâtiment. Seuls les Inductances shunts 3 Echangeur de chaleur eau/air transformateurs, les bobines de compensation, les inductances de lissage et les bobines des circuits de filtrages sont installés devant le bâtiment 2 , 3 . Le bâtiment présente une projection en plan horizontal de 54 × 15 m. La subdivision des locaux du premier étage est en principe la même que celle du rez-dechaussée, étant donné que les composants principaux (les deux convertisseurs, les condensateurs du circuit intermédiaire et les circuits d’extinction totalisateurs) sont répartis sur les deux étages et disposés de manière identique. Cette disposition a été choisie pour obtenir des barres de liaison aussi courtes que possibles. Une grande attention a été vouée à une bonne clarté de l’installation et à la facilité d’accès aux composants. Cette installation tire donc entièrement profit des avantages inhérents de la configuration modulaire des convertisseurs statiques: convivialité de la maintenance, frais d’entretien restreints, 4 Transformateurs 16 2⁄3 Hz temps de réparation et de remplacement courts en cas de dérangement, et donc une disponibilité élevée. Le local du convertisseur côté ferroviaire est dimensionné de manière à garantir une bonne accessibilité à tous les composants. La moitié des convertisseurs et des modules de limitation de tension se trouve sur chacun des étages. Les armoires de contrôle-commande sont installées à l’étage supérieur, en position centrale par rapport aux composants de puissance, de manière à raccourcir les liaisons câblées. L’interface homme-machine servant à la conduite locale est également placée à l’étage supérieur. Les transformateurs, ainsi que les bobines de compensation, de filtrage et de lissage sont installés en dehors du bâtiment, à proximité immédiate des composants de puissance correspondants 3 . Revue ABB 9/10 1996 7 C + _ O U A G XT IB Z Bk ∆U T PB QB SB GTO Ud P U Bi L UB E D E F R É Q U E N C E I B maxX T B P ~ ∆UT + C E QB 0 ust F δ A a Schéma de principe du convertisseur GTO Schéma équivalent E F Circuit intermédiaire à tension continue Réseau ferroviaire ∆UT UB ZBk PB , QB , SB IB ust , δ Tension continue Tension de convertisseur interne Réactance de court-circuit du transformateur côté ferroviaire Chute de tension sur XT Tension du réseau ferroviaire au point de branchement Impédance de court-circuit du réseau ferroviaire Puissances alimentées dans le réseau ferroviaire Courant de sortie du convertisseur GTO Variables réglantes de la régulation Principe du fonctionnement et conception du côté ferroviaire La tension continue du circuit intermédiaire est maintenue constante par le convertisseur du côté triphasé. Le convertisseur GTO fournit une tension interne réglable à volonté en amplitude et en phase. Sa fréquence est déterminée par l’exploitation interconnectée. Les valeurs de référence des variables réglantes du convertisseur de fréquence sont la tension et la position de phase au point de branchement du réseau ferroviaire. Le mode de fonctionnement de principe du convertisseur GTO est représenté dans le diagramme vectoriel 4b . Un rôle essentiel est joué par la réactance de court-circuit XT du transformateur monophasé du convertisseur 4a . La tension de conversion interne UBI peut être réglée à volonté (UBi dans la zone grise). Ce faisant, on détermine la chute de tension ∆ UT et donc le courant IB en amplitude et en phase. La formation de puissance réactive supportant la tension est limitée par la tension intérieure réglable maximale. Celle-ci résulte de la tension continue du circuit intermédiaire et du procédé de réglage du 8 Revue ABB 9/10 U Bi U B δ a Ud UBi XT U Bi max 4 1996 PB + IB - b b Diagramme vectoriel simplifié du convertisseur GTO A, B, C Points de travail spécifiés convertisseur GTO décrit ci-après. Il y a lieu de remarquer qu’à cause des restrictions du temps de commutation, on ne peut pas utiliser toute la tension de commande ust (le facteur d’utilisation maximal est de 0,96). La puissance apparente SB est limitée par le courant maximal qui peut franchir le convertisseur GTO et le transformateur de convertisseur IB (petit cercle dans 4b ). Tandis que dans le cas du transformateur, cette limite n’est que de nature thermique, pour le convertisseur GTO, on doit également tenir compte de l’aptitude de déclenchement des semi-conducteurs. En outre, une limitation de la puissance active (limitation verticale de la zone grise) est imposée par la conception de l’alimentation du côté triphasé (convertisseur à thyristors, etc.). Le diagramme PQ du côté ferroviaire 5 correspond aux données de puissance fixées (Tableau 2). Le cercle UB = 121 kV contient les trois points de travail A, B et C spécifiés. Il correspond au courant maximal admissible du convertisseur GTO. Ce cercle détermine également la puissance maximale en cas de tension basse sur le réseau ferroviaire. Dans la zone surexcitée, le point B détermine la limite de puissance imposée par la tension maximale du convertisseur. Vu qu’on est en présence d’un convertisseur à thyristors antiparallèles de même puissance, les mêmes points de travail symétriques A’, B’ et C’ sont valables pour le flux de l’énergie du réseau ferroviaire vers le réseau triphasé. Procédé de commande et tension de sortie Pour le procédé de commande, on a choisi le procédé classique de la modulation d’impulsions en durée (MID), éprouvé et connu dans la technique d’entraînement. Les ordres de commutation des différents modules U sont obtenus à partir de la valeur momentanée de la tension de commande sinusoïdale ust et de tensions porteuses triangulaires (tensions de commande auxiliaires uhm et uhp) 6 . La fréquence porteuse correspond au triple de la fréquence du réseau ferroviaire. Par conséquent, chaque GTO subit trois cycles de commutation par période du réseau ferroviaire. C O U P Les douze ponts GTO sont tous commandés par le procédé MID. Les signaux porteurs de deux étages voisins sont pourtant décalés électriquement de 15˚ (180˚/12 par rapport à la période de la tension porteuse). Ce faisant, on obtient douze tensions étagées et décalées mutuellement. L’addition de ces tensions étagées dans le transformateur du côté du réseau ferroviaire fournit une tension de sortie approximativement sinusoïdale, avec une très faible teneur en harmoniques 7 . On n’a donc pas besoin de filtres supplémentaires. La commande de la tension de sortie s’effectue par le réglage de l’amplitude de la tension de commande ust et de sa position de phase δ par rapport à la tension du réseau ferroviaire UB au point de branchement du couplage de fréquence. Convertisseur du côté ferroviaire Les progrès décisifs qui ont permis la réalisation de la puissance élevée du couplage de fréquence de Bremen sont implémentés dans la technologie GTO du convertisseur du côté ferroviaire. Ce convertisseur comprend 1 : L A G E D E F Tension ferroviaire UB Puissance active PB E N C E 80 MW 80 MW + 60 MVAr Puissance apparente SB 100 MVA 100 MVA 0,8 0,8 • • • Douze ponts H, chacun avec deux modules de phase (modules U), qui sont branchés en parallèle sur le circuit intermédiaire. Quatre limiteurs de tension dans le circuit intermédiaire. Un circuit intermédiaire couplé directement, constitué de barres collectrices de basse inductivité et de condensateurs de circuit intermédiaire. L’électronique proche du convertisseur. 5 f B = 17 Hz U B = 110 kV U B = 121 kV 60 B U B = 123 kV 20 C 0 C 121 kV 16,2 ...17 Hz – 60 MVAr cos ϕ • 121 kV 16,2 ...17 Hz Puissance réactive QB 100 QB U Point de travail B (surexcité) 121 kV Fréquence ferroviaire fB 120 40 Q A (sous-excité) Puissance active, positive pour le flux d’énergie 50 Hz ⇒ 16 2⁄3 Hz Puissance réactive, positive en cas de surexcitation Tension du réseau ferroviaire au point de branchement Fréquence de la tension du réseau ferroviaire Points de travail spécifiés MVAr É Tableau 2: Spécifications des données de puissance au point de branchement du réseau ferroviaire Diagramme PQ du côté ferroviaire PB QB UB fB A, B, C R 16,2 ...17 Hz 100 MW 0 MVAr 100 MVA 1 Modules de phase à faible inductivité Les modules de phase contiennent chaque fois six GTO couplés en série. Le module de phase avec interconnexion sur le circuit intermédiaire et le condensateur branché directement sont construits avec une inductivité extrêmement faible, afin que l’énergie accumulée dans l’inductance parasitaire, et par conséquent la sollicitation par la tension lors de la commutation, restent faibles 8 . Les condensateurs de circuit intermédiaire proches des convertisseurs sont formés de condensateurs haute tension à inductivité extrêmement basse (200 nH par unité de 10 kV). Les enroulements des condensateurs sont réalisés en technologie sèche autorégénératrice. En cas de défaut d’isolation interne, la couche métallique s’évapore de manière limitée localement, sans formation de court-circuit. Le refroidissement des semi-conducteurs de puissance, des résistances de protection et des inductances de limitation de courant est effectué avec de l’eau pure déionisée. Un refroidissement forcé à air par ventilation n’est pas nécessaire pour les convertisseurs, ce qui améliore la fiabilité. – 20 – 40 – 60 A – 80 –100 –120 –100 –60 – 20 0 PB 20 60 MW 100 Couplage série et redondance Le couplage série des GTO pose des exigences élevées à la synchronisation des processus de commutation. Tous les GTO branchés en série doivent commuter en l’espace de 200 ns. A cet effet, ABB a développé la commande dite dure, caractérisée par un courant de gâchette de pente et Revue ABB 9/10 1996 9 C O U P L A G E D E F u st u st > u hm u st < u hp Tension continue Tension de commande Tensions de commande auxiliaires u1 iB 6 d’amplitude considérablement plus élevées que celles des commandes conventionnelles [4]. A cet effet, l’inductivité de l’unité de commande devait être diminuée d’un facteur d’environ 100, ce qui a requis une configuration entièrement inédite. Le GTO et l’unité de commande y forment une unité constructive compacte. La tension continue nominale du circuit intermédiaire est de 10 kV. Quatre GTO connectés en série dans chaque branche du pont suffiraient donc. Avec six GTO branchés en série, un semi-conducteur peut tomber en panne, sans que le fonctionnement de l’installation soit entravé. Si un second GTO devient défaillant dans la même branche, l’installation est déclenchée de manière contrôlée. Par le placement de postes de semi-conducteurs redondants, on diminue la sollicitation en tension de tous les composants et la durée de service moyenne est prolongée très fortement. Les calculs fondés sur des données pratiques montrent que grâce au couplage série et à la redondance, l’ensemble du convertisseur de fréquence ne tombera en panne en moyenne qu’une seule fois tous les six ans. Dans ce calcul, on admet que les composants redondants défectueux constatés pendant l’exploitation sont rem- Revue ABB 9/10 1996 u1 iB U E N C E réseaux respectifs peuvent néanmoins provoquer des surtensions transitoires. Pour la protection du convertisseur GTO, on a donc installé un limiteur de tension. Lorsque la tension admissible limite est atteinte dans le circuit intermédiaire, il enclenche rapidement une résistance de puissance. Ce limiteur de tension est constitué de quatre interrupteurs GTO parallèles équipés de résistances de puissance. Il s’agit de quatre modules de phase légèrement modifiés du convertisseur GTO, complétés par les résistances et des diodes de roue libre. u hp Principe du procédé de commande MID 10 Q u st > u hp ud u st < u hm ud ust uhm , uhp É u hm u st _ R Tension de sortie d’un étage Courant de sortie du convertisseur GTO placés à l’occasion des travaux d’entretien annuels. Si on remplace ces composants à des intervalles plus rapprochés, la disponibilité est encore accrue considérablement. Conception du câblage du circuit intermédiaire La nécessité d’une exécution de faible inductivité est également valable pour la partie proche des convertisseurs du circuit intermédiaire. Les deux conducteurs du circuit intermédiaire sont donc formés de deux barres plates très proches, qui ne sont séparées que par une couche d’isolation en MICADUR®. En cas de courts-circuits internes, de fortes sollicitations mécaniques peuvent se produire. La construction est conçue de telle manière que tous les cas de dérangements imaginables soient maîtrisés. La sollicitation n’a pas été seulement calculée et simulée, mais aussi testée dans le laboratoire d’essai en courtcircuit 9 . Limiteur de tension La tension continue est maintenue constante par des circuits de régulation rapides du convertisseur à thyristors de l’alimentation. Des perturbations dans les Protection Le concept de la protection comprend trois échelons: prévention, allumage de protection et limitation du dommage en cas d’urgence. Le principe le plus important réside dans la saisie de toutes les possibilités, afin d’éviter les situations de perturbation. Cet objectif est atteint par l’utilisation de GTO redondants, ainsi que par le déclenchement contrôlé en cas de panne d’un second GTO dans la même branche. En outre, le verrouillage des deux branches d’une phase GTO évite qu’elles deviennent passantes en même temps. Si les mesures préventives devaient faillir, un court-circuit du circuit intégré est saisi en l’espace de quelques microsecondes par un dispositif de mesure rapide et redondant. Pour décharger la phase GTO défectueuse, toutes les autres phases GTO du convertisseur sont allumées (allumage de protection). Le convertisseur est dimensionné de manière à éviter des dégâts dans un tel cas. Grâce aux mesures préventives, l’allumage de protection ne se produit du reste que très rarement. En complément, le convertisseur GTO est dimensionné de manière à survivre à une défaillance de la protection. Si tout le courant de défaut franchit un point de défaut central, tous les semi-conducteurs de la phase concernée (GTO et diodes) peuvent à vrai dire être détruits. Pourtant, aucun dommage mécanique ou thermique consécutif ne se produit. Aucun plasma ne se forme et aucun composant n’explose. C O U P Vérification Etant donné que le convertisseur GTO Bremen constitue une première réalisation avec des technologies en partie très nouvelles, une grande attention a été vouée à la vérification de tous les composants et groupes constitutifs. La sécurisation a été effectuée mutuellement sur deux plans: par simulation sur des modèles hautement sophistiqués et par l’examen de parties de l’installation en laboratoire. Un nouveau programme de simulation avec des modèles de semi-conducteurs perfectionnés était disponible pour les simulations. Les paramètres nécessaires ont été obtenus par des mesures spéciales effectuées sur des matériels. De cette manière, on a pu assurer entre autres que les ratés de blocage et les allumages de protection sont assurés, en tenant compte de tous les composants de l’installation et des réseaux. On a également pu tenir compte de l’influence des tolérances des composants et procéder à l’examen du «worst case». L A G E D E F R É Q Les essais de type prescrits par les normes ont été complétés par les essais suivants: • Examen des phénomènes dans la gamme haute fréquence pendant les dérangements transitoires du réseau sur le côté ferroviaire Essais par chocs de courant, par les• quels aucun endommagement mécanique des composants ne doit se produire, même en cas de défaillance de tous les échelons de protection • Preuve par d’autres essais de chocs de courant que les caractéristiques des éléments semi-conducteurs ne sont pas modifiées, même après 100 impulsions d’allumage de protection • Essais d’endurance de plus de 100 heures avec 150 % du courant nominal, 120 % de la tension nominale, 150 % de la fréquence nominale et une redondance complètement supprimée [4] U E N C E Transformateurs du côté ferroviaire Le transformateur additionneur du côté ferroviaire est formé de six unités à deux phases avec un noyau de retour 10 . Ce noyau de retour découple magnétiquement les deux phases, de sorte que les noyaux se comportent comme des transformateurs monophasés. Les enroulements secondaires des deux phases sont alimentés par des ponts GTO voisins en modulation. Leurs composantes d’oscillation fondamentales sont à vrai dire en phase, mais à cause des trains d’impulsions décalés, les harmoniques sont déphasées et fournissent un flux magnétique dans le noyau de retour d’env. 10 % du flux principal des noyaux bobinés. En section, le noyau de retour est néanmoins dimensionné de la même manière que les noyaux principaux, afin de permettre un cadençage très indépendant des deux ponts GTO, par ex. en cas de perturbation du réseau, sans produire des effets de saturation dans le transformateur. 7 Formation de la tension du convertisseur GTO a b Evolution de la tension u1 d’un étage Tension de convertisseur interne résultante uBi à la sortie du transformateur additionneur pour une tension de commande ust = 0,9 uhm , uhp Tensions de commande auxiliaires 1.25 p.u. a u hp ust u1 0 u hm –1.25 1.25 u Bi b p.u. ust 0 –1.25 Revue ABB 9/10 1996 11 C O U P L A G E D E F R É Q 2 3 8 Module de phase de faible inductivité Unité de commande 2 Pile de semi-conducteurs Par conséquent, on a utilisé pour l’unité biphasée un noyau de transformateur triphasé usuel en tôles de transformateur à grains orientés, sur lequel seules les branches extérieures portent des enroulements. Chaque branche du noyau porte un enroulement primaire (côté ferroviaire) et un 12 Revue ABB E N C E des impédances de marche à vide des différents systèmes de phases, étant donné qu’en cas de valves GTO bloquées, ces impédances déterminent la répartition de la tension du réseau ferroviaire sur les transformateurs et donc sur les ponts GTO. Une répartition très irrégulière pourrait provoquer la situation dans laquelle, sur les ponts avec la plus grande part de tension, l’amplitude de la tension alternative devient plus grande que la tension du circuit intermédiaire, de sorte que celui-ci serait surchargé par le biais des diodes des ponts H. On connaît aussi le problème de la composante de tension continue dans la tension de sortie des ponts GTO provoquée par des instants de commutation non idéaux. Déjà une faible part de cette composante de tension continue peut provoquer des effets de saturation dans le transformateur, charger les ponts par un courant de magnétisation, voire rendre leur exploitation impossible. Ce problème croît parallèlement avec la grandeur de l’installation et est encore aggravé par le couplage série des GTO. Dans l’installation Bremen, une erreur constante de seulement 1 ms par phase fournirait une part de tension continue de 33 mV qui prémagnétiserait le transformateur sur un côté avec une induction d’env. 1,4 T. Mentionnons qu’avec une tension de sortie maximale, l’induction de service atteint 1,55 T. Pour limiter une composante de tension continue éventuelle, on a développé un système de saisie et de régulation d’un nouveau type. Ce système règle une telle composante suffisamment tôt à une petite valeur admissible. 1 1 U 9/10 1996 3 Circuit de protection enroulement secondaire concentrique. Tous les enroulements primaires sont isolés pour la pleine tension d’essai. Chaque fois deux unités biphasées se trouvent dans une cuve commune. Une attention particulière a été vouée à une dispersion aussi faible que possibles Dimensionnement du circuit intermédiaire Le circuit intermédiaire à tension continue a pour mission de découpler le réseau triphasé et le réseau ferroviaire. Il doit alimenter le convertisseur GTO avec une tension continue aussi constante que possible et aussi maintenir les harmoniques du réseau ferroviaire à l’écart du réseau triphasé. Ce faisant, on doit tenir compte du fait que les capacités réparties CD, branchées rigidement sur le convertisseur GTO, doivent rester minimales pour des raisons de protection. Du fait que le réseau ferroviaire est monophasé, une oscillation de puissance C O U P L A G E se produit avec une fréquence double de celle de ce réseau. Le circuit intermédiaire comprend donc un filtre ajusté à 33 Hz. Sa puissance résulte de l’ondulation tolérable en cas de divergence de fréquence maximale du réseau ferroviaire et en cas de défaut d’ajustage le plus défavorable du filtre. Le convertisseur du courant ferroviaire doit pouvoir travailler sans problème également en cas de tension ferroviaire fortement déformée à l’entrée. Principalement la 3e et la 5e harmoniques peuvent atteindre des valeurs élevées. On demande donc de la part du convertisseur qu’il soit aussi insensible que possible à ces harmoniques. Pour cette raison, le circuit intermédiaire contient, en plus du filtre à 33 Hz, un filtre passe-haut amorti. D E F É Q U E N C E 1 2 Convertisseur du côté triphasé et équipements de compensation L’alimentation à partir du réseau des Stadtwerke Bremen s’effectue par un convertisseur à thyristors à 12 impulsions commutés par le réseau. Par rapport à un convertisseur à commutation automatique, cette méthode fournit une solution plus économique. En raison du réseau fortement câblé, celui-ci possède un excédent de puissance réactive. En cas de charge faible, celle-ci doit être compensée par des réactances. Les bobines d’impédance peuvent aussi rester enclenchées lorsque le couplage de fréquence n’est pas en service. La gamme de puissance réactive s’obtient le plus économiquement par des filtres et des réactances commutés mécaniquement. En outre, les filtres sont dimensionnés de manière à ce que les limites prescrites pour la distorsion de la tension (< 1,5 %) soient respectées. Des caractéristiques nominales du circuit intermédiaire, il ressort que le convertisseur à thyristors a besoin d’une part du couplage série de quatre thyristors, et d’autre part du couplage parallèle de trois branches. De manière analogue au convertisseur GTO, l’installation peut continuer à fonctionner sans limitation en cas de défaillance d’un thyristor par branche. Si un second thyristor tombe en panne dans la même branche, l’installation est déclenchée. Comme auparavant, aucun risque R 3 1 9 Module de convertisseur (1) avec barres collectrices de circuit intermédiaire (2) et condensateurs de circuit intermédiaire CD (3) n’en résulte pour la partie saine de la branche. La subdivision correcte du courant entre les branches parallèles est surveillée. Si une seule branche ne participe plus à la conduite du courant (par ex. par suite d’un défaut de la commande), le courant du cir- cuit intermédiaire est limité de manière correspondante. Lorsque de l’énergie excédentaire est disponible dans le réseau ferroviaire, elle est fournie au réseau des Stadtwerke Bremen par un second convertisseur à thyris- 10 Schéma d’une unité de transformateur additionneur R, T Phases R Φ Flux d’induction t2 v1 T ΦA Φ1 Φ2 ΦA ΦA ΦA ΦA t1 v2 Revue ABB 9/10 1996 13 C O U P L A G E D E A F R É Q 20 km C MMI ( DEC ALPHA ) Modem RD Control ( PSR ) VBE 50 TM GM Protection ( PSR ) VBE 16 F SLK DC link D 112 kV 50 Hz E 121 kV 16 2/3 Hz Hiérarchie de la technique de contrôle-commande 11 A B C D E F Centrale électrique des Stadtwerke Bremen Répartiteur de charge des Stadtwerke Bremen Technique de contrôle-commande du couplage de fréquence Station de distribution des Stadtwerke Bremen Station de distribution de la Deutsche Bahn Filtre MMI Interface homme-machine avec station de travail DEC fondée sur un processeur ALPHA Télédiagnostic Système de régulation programmable rapide (commande, régulation et protection) Electronique proche du convertisseur du côté 50 Hz, resp. 16 2/3 Hz Surveillance des défaillances, enregistrement des événements du convertisseur à thyristors, resp. à GTO Circuit d’extinction totalisateur Circuit intermédiaire (tension continue) RD PSR VBE TM, GM SLK DC tors antiparallèles qui fonctionne comme onduleur. La commande du convertisseur permet une inversion rapide de la puissance. Une attention particulière a été vouée à la protection du convertisseur travaillant en 14 Revue ABB 9/10 1996 E N C E réglés par le courant sur les deux côtés des réseaux, le courant de décrochage du circuit en question ne peut pas être contrôlé dans le circuit intermédiaire. Egalement en cas de conception prudente de la commande de l’onduleur (angle d’allumage), on ne peut exclure complètement les erreurs de commutation, par exemple en cas de phénomènes transitoires sur le réseau triphasé. Le décrochage de l’onduleur est saisi par deux circuits de mesure indépendants. Le cas échéant, les deux onduleurs sont bloqués immédiatement. La valve de l’onduleur à conduction en sens erroné reçoit un contre-courant négatif qui l’éteint. Tout le processus d’extinction requiert environ une période du réseau. Après un bref temps d’environ 1 s pour le rétablissement de l’aptitude de blocage, la transmission de courant est reprise automatiquement. L’état de fonctionnement du circuit de déclenchement totalisateur SLK est surveillé en permanence. B 2 km U onduleur. A cet effet, on se sert d’un circuit d’extinction totalisateur (SLK), c’est-à-dire d’un dispositif statique de commutation forcée 1 . Au contraire des installations T.C.C.H.T. conventionnelles avec des convertisseurs Electronique proche du convertisseur Chaque convertisseur dispose d’une électronique proche du convertisseur. Celle-ci produit les télégrammes d’impulsions à partir de l’ordre d’allumage de la régulation. Ces télégrammes sont transmis aux différents postes à semi-conducteurs par des conducteurs à fibres optiques. En cet endroit, l’électronique des thyristors les transforme en impulsions d’allumage électriques (allumage optique indirect). En outre, à l’aide des rétromessages de l’électronique des thyristors, l’électronique proche du convertisseur surveille la redondance des semi-conducteurs couplés en série. En cas de perte de redondance, elle provoque une alarme, resp. un signal de déclenchement. Les semi-conducteurs défaillants sont saisis et remplacés lors des prochains travaux de maintenance. En complément, dans le convertisseur GTO, le limiteur de surtension du circuit intermédiaire est commandé par l’électronique proche du convertisseur. Celle-ci assure en outre la saisie rapide et redondante de ratés de blocage, ainsi que l’enclenchement de l’allumage de protection du convertisseur GTO. Dans le convertisseur à thyristors, cette électronique commande aussi le circuit C O U P d’extinction totalisateur SLK. Sa rétrosignalisation permet à la régulation de saisir très rapidement des défauts de commutation en exploitation d’onduleur. Technique de contrôle-commande Un système de communication hommemachine moderne (S.P.I.D.E.R. MicroSCADA) fondé sur une station de travail ALPHA sert à la conduite et à la surveillance de l’installation, ainsi qu’à l’enregistrement des changements d’état et des dérangements 11 . La conduite peut s’effectuer à partir d’un poste de commande local, de la centrale Mittelsbüren toute proche, ou à partir du poste de répartition des charges des Stadtwerke Bremen situé à une distance d’env. 20 km. La préséance des commandes peut être fixée à volonté. L A G E D E F R É Q U L’installation elle-même n’est pas occupée. La commande et la régulation, ainsi que la protection du couplage de fréquence sont fondées sur un système PSR2 (Programmierbares Schnelles Regelungssystem – Système de régulation programmable rapide) d’ABB [5]. Ce système de contrôlecommande a été développé spécialement pour des systèmes à électronique de puissance complexe et se prête donc excellemment au couplage de fréquence Bremen. Ce système allie une vitesse de traitement élevée et un langage de programmation graphique très convivial (FUPLA 2). La combinaison de ces deux propriétés fournit une flexibilité élevée. A des fins de diagnostic, on peut accéder à la surface de programmation graphique du système et au système de communication homme-machine à l’aide d’une ligne téléphonique. E N C E La commande est responsable des séquences de démarrage et de mise hors service de l’installation, tandis que la régulation fournit une exploitation stable. Le concept de la régulation est représenté de manière simplifiée dans 12 . Sur le côté 50 Hz, la mission principale de la régulation consiste à maintenir constante la tension continue du circuit intermédiaire. Pour optimiser la dynamique et pour des raisons de protection, cette mission a été réalisée par une régulation en cascade, avec un régulateur de tension superposé et un régulateur de courant continu asservi. En outre, la régulation du côté 50 Hz commande l’inversion des convertisseurs à thyristors en cas d’inversion de la puissance. Comme usuel pour les installations TCCHT, le bloc de commande est synchronisé par un circuit de régulation de phase (PLL). 12 Représentation simplifiée du concept de régulation du couplage de fréquence 100 MW A B Coté réseau triphasé Coté réseau ferroviaire α Angle d’allumage M ST Mesures Bloc de commande du convertisseur à thyristors Modulateur du convertisseur GTO Circuit de régulation de phase MGTO PLL U d , Id Ust , δ Tension et courant du circuit intermédiaire Tension de commande et angle de phase de la régulation (variables réglantes) UB , IB Tension et courant du côté ferroviaire Ud ref , PB ref, QB ref Valeurs de références de la tension et de la puissance + A 112 kV 50 Hz B 121 kV 16 2/3 Hz Y M D ST PLL MGTO α Sync Sync α Control 50 Hz U d ref δ Id Ud U st UB Control 16 2/3 Hz P B ref PLL IB Q B ref Revue ABB 9/10 1996 15 C O U P L A G E D E F R É Q U E N C E commande sur le simulateur physique avec les paramètres de circuit intermédiaire de 200 V et 250 mA. Avant la livraison, les armoires de contrôle-commande 13 furent intégrées dans la configuration de simulation et testées en collaboration avec les Stadtwerke Bremen, sous des conditions normales et de perturbation aussi réalistes que possible. 1 2 3 5 4 Armoires de la technique de contrôle-commande du couplage de fréquence Bremen 1 2 3 4 5 Ordinateur PSR et appareils d’interface Modulateur du convertisseur côté ferroviaire (MGTO) et appareils E/S Bloc de commande du convertisseur à thyristors (ST) et interface du conducteur à fibres optiques Différents appareils de surveillance et d’alimentation Panneau de commande local Sur le côté ferroviaire, on mesure le courant (IB) et la tension (UB). Ces valeurs fournissent par calcul la puissance active et la puissance réactive. La puissance active est réglée à l’aide d’une caractéristique fréquence-puissance, tandis que la puissance réactive est réglée avec une caractéristique tension-puissance réactive. Un circuit de régulation de phase (PLL) sert à la synchronisation du modulateur d’impulsions en durée (MID). Ce circuit sert en même temps à la mesure de la fréquence ferroviaire. La protection est réalisée par un système à deux canaux entièrement redondants. Si un système tombe en panne par suite de la défaillance d’un appareil, ses interfaces sont bloquées automatiquement. La protection de l’installation reste cependant entièrement assurée. Le défaut est communiqué au personnel d’exploitation par l’interface homme-machine, avec l’indication de l’appareil défaillant. Le remplacement des appareils, le paramétrage et le contrôle des fonctions de protection peuvent s’effectuer sur chacun des systè- 16 13 Revue ABB 9/10 1996 mes de protection avec l’installation en service. Dimensionnement et vérification Le dimensionnement et la vérification du couplage de fréquence Bremen ont été exécutés dans l’ordre suivant, en se servant de trois outils qualitativement différents: • Programmes d’ordinateur analytiques • Programmes de simulation par ordinateur • Simulation physique à l’aide du simulateur réduit à l’échelle de 50 W d’ABB Tandis que les deux premiers outils offrent l’avantage d’une précision et d’une reproductibilité élevées sur une grande gamme de fréquence, la force particulière du simulateur réside dans ses aptitudes de temps réel et de la possibilité qui en découle pour tester sans danger l’ensemble du système avec la technique de contrôle-commande originale. A cet effet, on a développé les fonctions essentielles de la technique de contrôle- Mise en service Lors de la mise en service, on a accordé une grande importance à une procédure systématique pour la vérification du dimensionnement électrique, thermique et mécanique correct de toutes les parties de l’installation. A la suite des essais usuels avant la mise en service (essais de tension, tests de la technique de contrôle-commande et des protections), les sous-systèmes furent testés dans l’ordre suivant, en commençant par l’alimentation du côté triphasé: • Essai de marche à vide de l’alimentation du côté triphasé Les équipements de filtrage et de compensation, le transformateur du convertisseur, le convertisseur à thyristors et le circuit intermédiaire à tension continue furent mis sous tension pour la première fois. A l’aide d’une charge ohmique élevée du convertisseur, on a également vérifié les composants de la technique de contrôle-commande proche du convertisseur (par ex. le générateur d’impulsions). • Essai de court-circuit de l’alimentation du côté triphasé A l’aide d’un essai d’endurance sous le courant continu maximal de 10,5 kA, on a vérifié le dimensionnement thermique correct de tous les sous-systèmes concernés, dont en particulier l’installation de refroidissement 50 Hz. On a en outre testé la régulation et la technique de contrôle-commande proche du convertisseur à thyristors. Essai de marche à vide du convertisseur • GTO La formation de la tension du convertisseur GTO a été testée préalablement avec une tension de circuit intermédiaire réduite et un disjoncteur ouvert sur le côté ferroviaire. • Tests des protections Les fonctions de protection vitales, telles que les allumages de protection du C O U P L • G E D E F R É Oscillogramme d’une interruption de courte durée de 700 ms sur le côté 50 Hz A Transport d’énergie vers le réseau ferroviaire: 121 kV, 30 MW, 20 MVAr sous-excité B Déclenchement du convertisseur à thyristors, commutation automatique vers l’exploitation en décaleur de phase C Côté triphasé déclenché: marche en décaleur de phase avec 20 MVAr sous-excité D Réenclenchement du côté triphasé, montée automatique de la puissance active uB iB ud id Q puissance, du rendement et des réactions sur le réseau. A titre d’exemple, l’oscillogramme 14 montre la tension du circuit intermédiaire (ud), le courant de celui-ci (id), ainsi que la tension (uB) et le courant (iB) au point de branchement du réseau ferroviaire, lors de la commutation de l’exploitation de transport normale vers l’exploitation en décaleur de phase. Cette séquence est enclenchée automatiquement lorsque le réseau triphasé est perturbé. Dans la partie droite de l’oscillogramme, on a représenté la séquence invere correspondante. Celleci est exécutée automatiquement dès que le réseau triphasé est de nouveau disponible. Après la phase d’exploitation d’essai passée avec succès, le couplage de fréquence des Stadtwerke Bremen a pu être réceptionné pour l’exploitation commerciale. convertisseur GTO, la limitation des surtensions dans le circuit intermédiaire et la fonction du circuit d’extinction totalisateur SLK lors de courant de décrochage dans l’onduleur, ont été testées sous des conditions réelles. Essai de court-circuit sur le convertisseur GTO La preuve du dimensionnement thermique correct du transformateur côté ferroviaire et de l’installation de refroidissement a été fournie par un essai d’endurance, avec le côté ferroviaire courtcircuité et le courant de charge maximal correspondant à 100 MVA. Essais du système sur le réseau ferroviaire Dans le cadre de ces essais, on a testé et optimisé la régulation de l’installation sous des conditions d’exploitation réelles. On a en outre fourni la preuve des valeurs garanties, telles que celles de la • A Tension du côté ferroviaire Courant du côté ferroviaire Tension du circuit intermédiaire 10 kV; 1 unité = 1,3 kV Courant du circuit intermédiaire U E N C E Bibliographie [1] Gaupp, O.; Linhofer, G.; Lochner, G.; Zanini, P.: Convertisseurs de fréquence statiques de haute puissance pour le trafic ferroviaire à travers les Alpes. Revue ABB 5/95, 4–10. [2] Lönard, D.; Northe J.; Wensky, D.: Statische Bahnstromrichter – Systemübersicht ausgeführter Anlagen. Elektrische Bahnen 6/95, 179–190. [3] Mathis, P.: Statischer Umrichter Giubiasco der Schweizerischen Bundesbahnen. Elektrische Bahnen 6/95, 194–200. [4] Steimer, P.; Grüning, H.; Werninger, J.; Dähler, P.; Linhofer, G; Boeck, R.: Couplage de thyristors GTO pour convertisseurs de haute puissance. Revue ABB 5/96, 14–20. [5] Steimer, P.; Hartmann, P.; Perrin, Ch.; Rufer, A.: PSR – le système de régulation programmable par plan de fonctions le plus rapide du monde. Revue ABB 2/93, 21–28. 14 Rédaction Dr Hans-Peter Eggenberger Meilen/Suisse Adresses des auteurs Rüdiger Boeck Stadtwerke Bremen AG Theodor-Heuss-Allee 20 D-28215 Bremen Téléfax: +49 (0) 421 359 2081 uB Osvin J. Gaupp Peter Dähler Eugen Bärlocher Johannes Werninger ABB Industrie AG CH-5300 Turgi/Suisse Téléfax: +41 (0) 56 299 2579 iB ud id A C B 100 ms A D t Plinio Zanini ABB Production d’énergie SA Case postale CH-5401 Baden/Suisse Téléfax: +41 (0) 56 466 6681 Revue ABB 9/10 1996 17
