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Co-ordination des systèmes de transport CCHT multibornes parallèles

Co-ordination of parallel multiterminal HVDC systems

Par Serge Lefebvre e/SilvanO CaSOria, Institut de Recherche d'Hydro-Québec, Varennes, Québec.

Cette publication examine des méthodes de co-ordination des convertisseurs pour les systèmes de transport d'énergie en courant continu ayant une configuration multiborne parallèle. La co-ordination des convertisseurs est obtenue grâce à un équilibrage des références de courant de ces conver­tisseurs. Pour ce faire deux types d'équilibreurs sont proposés. L'un est un équilibreur centralisé tandis que l'autre, moins performant est décen­tralisé. L'équilibreur décentralisé peut servir de réserve en cas de panne du système de communications. Ces équilibreurs ainsi qu'un simulateur de retards de communication sont décrits. Les performances des conrôles proposés sont évaluées sur le simulateur en courant continu de l'IREQ. Le système simulé est un réseau CCHT multiborne parallèle comportant deux redresseurs et deux onduleurs.

This paper considers methods for co-ordinating the converters of parallel multiterminal HVDC systems. The principle is based on balancing the con­verter current orders and two different balancing methods are described. The first uses a centralized current reference balancer and therefore re­quires some means of communication. The second method is slower but it is decentralized. The decentralized current reference balancer may be used to back-up the first when communication links are not operational. These current reference balancers and a telecommunication delay simulator are described. The performances of both controls are evaluated on the IREQ dc simulation of a parallel multiterminal HVDC system with two rectifiers and two inverters.

Introduction

Plusieurs liens de transport d'énergie en courant continu sous haute tension (CCHT) sont exploités au Canada (en Colombie Britannique, au Manitoba, au Nouveau-Brunswick et au Québec). Cette technologie est en expansion. Deux attaches en courant con­tinu entreront prochainement en service à Hydro-Québec. Il s'agit des attaches Châteauguay avec le New-York Power Authority et Madawaska avec le Nouveau-Brunswick. Un lien en courant con­tinu (avec une ligne) entre Hydro-Québec et le New England Power Pool devrait quant à lui être mis en service en 1986 (Des Cantons).

Tous les systèmes CCHT exploités à travers le monde sont du type lien CCHT (un redresseur et un onduleur avec ou sans ligne).

Figure 1: Système simulé.

Un système CCHT comportant plus de deux postes convertisseurs par pôle est dit multiborne. Dès le milieu des années '60 les prin­cipes de fonctionnement des systèmes CCHT multibornes (CCMB) étaient connus. Quoique plusieurs études de planifications furent menées, aucun système CCMB n'existe encore. Les raisons prin­cipales de cette situation sont les suivantes. Premièrement, un poste de conversion CCHT représente généralement un investissement capital plus important que pour un poste CA conventionel. Ceci a forcément retardé la venue des connexions multibornes puisqu'il était plus économique de construire des attaches supplémentaires en courant alternatif. De plus, aucun concensus n'existe encore quant aux façons d'opérer les systèmes CCMB. L'indisponibilité des disjoncteurs CCHT a été un obstacle majeur pour ceux qui voulaient protéger ces systèmes selon les principes utilisés pour les systèmes alternatifs. Par contre, plusieurs stratégies de commande et de protection reposent sur l'utilisation de liens de communica­tion rapide et sur la contrôlabilité des convertisseurs mêmes. Avec de telles stratégies les disjoncteurs CCHT auraient pu être remplacés par de simples sectionneurs. Naturellement, les liens de communications pour la protection et la co-ordination sont assez dispendieux puisqu'ils doivent avoir une grande fiabilité. Finale­ment quelques-unes des stratégies proposées pour les systèmes CCMB diffèrent beaucoup des stratégies de commande et de pro­tection utilisées pour les liens CCHT, de telle sorte qu'ils n'ont pas été jugées acceptables dans bien des cas par les planificateurs. Pour ces raisons et d'autres, telle que le manque de familiarité avec la technologie du transport par CCHT, il n'y a pas encore de systèmes CCMB en opération.

Étant donné le coût décroissant des postes de conversion et les avantages inhérents au transport CCHT, l'utilisation future des connexions CCMB semble certaine d'autant plus que des disjonc­teurs CCHT expérimentaux ont maintenant été développés. De plus, des algorithmes de commande et de protection centralisés et décentralisés qui permettraient un fonctionnement sûr sans dis­joncteurs ont été mis au point. Hydro-Québec pourrait se doter du premier système CCMB au monde. Hydro-Québec envisage en ef­fet une connexion multiborne avec les états américains de la Nouvelle-Angleterre. Dans un premier scénario, il s'agira d'une connexion radiale à trois postes reliant le poste Des Cantons au Québec à Comer ford (Vermont), puis à Sandy Pond près de Boston (Mass.). Dans la première phase de ce projet, devant être complétée en 1986, un simple lien CCHT reliant les postes Des Cantons et

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Tension ΔΙ ^amin^H ^

Red 1 Red. 2 Ond.1 0nd.2 Courant

Tension ΔΙ h k

/mm

Red Ί Red. 2 0nd.1 0nd.2 Courant

Figure 2: Méthode de la marge de courant constante (pour le système de la figure 1: (a) redresseur 2 en contrôle de tension, (b) onduleur 1 en contrôle de tension.

Comer ford sera réalisé. Chaque poste aura une puissance nominale de 690 MW à ± 450 kV. Dans la seconde phase du projet actuelle­ment à Γ étude, le poste Des Cantons serait augmenté à 2000 MW et le poste Sandy Pond de 1310 MW serait construit (1990). Dans un autre scénario, le système CCMB aurait quatre convertisseurs. En plus des postes Comerford (690 MW), Sandy Pond (1310 MW) et Des Cantons (690 MW), un poste CCHT serait construit dans la région de la Baie de James (La Grande). Ce poste aurait une puissance de 2000 MW. La connexion envisagée est une connexion radiale parallèle.

Ainsi le premier système mutiborne à être exploité sera probable­ment un système CCMB parallèle avec connexion radiale. Cette publication présente les résultats d'une étude d'un tel système sur le simulateur CCHT de l'IREQ. Le système simulé est hypothétique. Il comprend deux redresseurs et deux onduleurs. Une publication récente a démontré qu'il est possible d'opérer un tel système de façon satisfaisante pourvu que des stratégies de protection adé­quates soient élaborées.1 La présente publication se penche sur la co-ordination des différents convertisseurs afin d'obtenir un point de fonctionnement viable. Pour ce faire les références de courant des convertisseurs doivent être équilibrées. Deux types d'équilibreurs sont proposés. Le premier est un équilibreur cen­tralisé qui requiert un système de communications. Le second est un équilibreur moins performant en terme de vitesse, mais décen­tralisé. L'équilibreur décentralisé peut servir de réserve en cas de panne du système de communications. Ces équilibreurs ainsi qu'un simulateur de retards de communication sont décrits. Les perfor­mances des contrôles proposés sont évaluées sur le simulateur CCHT de l'IREQ.

Systèmes CCHT multibornes

La plupart des situations où les systèmes CCMB apparaissent avantageux sont dues à ce qu'un lien CCHT est préférable à une connexion CA. Dans tous cas, une connexion CCMB sera plus in­téressante que toute combinaison de liens CCHT pour les raisons suivantes: • la capacité totale des convertisseurs est moindre que ce qui est re­quis pour une combinaison quelconque de liens CCHT; • les pertes dans les lignes de transport et les convertisseurs sont moindres; et • une connexion CCMB est plus flexible.

Les connexions CCMB se classent en deux catégories, à savoir, celles dont les postes de conversion sont liés en série et les autres qui sont liés en parallèle. Dans une connexion série, le courant continu est commun à toutes les stations et est contrôlé par l'une d'elles.

Mais pour une connexion parallèle c'est la tension continue (en négligeant la chute de tension à travers les lignes) qui est commune. La connexion parallèle peut être de type radial ou maillé. La con­nexion maillée comporte plus d'une ligne CCHT par station et, grâce à cette redondance, la perte d'une ligne CCHT affecte moins l'écoulement de puissance global que dans une connexion radiale. Dans cette dernière, chacune des stations est connectée à une seule ligne CCHT. Celles-ci seront interconnectées à leur tour à une ligne qui leur est commune. L'état actuel de la technologie—lié à des raisons d'ordre économique—limite l'application des connexions série à des cas où l'un des onduleurs est relativement petit (moins de 20 pour cent) par rapport aux autres.2 Dans les autres cas une con­nexion parallèle est préférable.

Les avantages de la connexion parallèle sont: • une co-ordination de l'isolement simple en comparaison avec celle d'une connexion série; • les angles de retard et d'extinction peuvent être tenus à de faibles valeurs; et • facilité d'expansions ultérieures du système.

Néanmoins, ses points faibles sont: • la perte d'une ligne CCHT sur un pôle d'un système bipolaire pourrait diminuer considérablement la puissance CCHT transmise; • une perturbation dans un convertisseur d'un pôle ou un raté de commutation affectent l'opération de tout le pôle; • un raté de commutation à un onduleur attire vers ce dernier le courant des autres postes. Ce courant pourrait être excessif;1

• l'inversion de l'écoulement de puissance d'une station doit se faire à l'aide d'appareils de coupure; et • les consignes de courant des convertisseurs doivent être co-ordinées sinon le point de fonctionnement du système peut être in­stable ou indésirable.

Cette publication s'intéresse précisément à la co-ordination des convertisseurs dans un système CCMB parallèle radial. L'influence des retards des communications sur la co-ordination du système est également examinée. On démontre que les contraintes de co­ordination ne sont pas d'une grande sévérité.

Système simulé

Un système multiborne hypothétique à quatre convertisseurs est simulé. Ainsi, la perte éventuelle d'un convertisseur ne com­promettrait pas la nature du fonctionnement multiborne.

Description du système Une connexion parallèle radiale fut élaborée, puis montée sur le

simulateur CCHT de l'IREQ. Un système monopolaire a été modelisé mais ceci ne réduit pas la généralité de cette recherche. Le schéma simplifié du système est donné à la figure 1.

Deux redresseurs fournissent 1500 MW de puissance en courant continu à deux onduleurs à travers une ligne commune à 500 kV. La puissance nominale du redresseur 1 est 600 MW alors que celle du redresseur 2 est 900 MW. La puissance nominale de l'onduleur 1 est 1125 MW, tandis que l'onduleur 2 porte nominalement 375 MW. Il est à noter que dans cet exemple les convertisseurs ont tous des puissances nominales différentes. De plus, l'onduleur 2 ne soutire normalement que 25% de la puissance CCHT totale. À cause de la disparité des puissances nominales des onduleurs, ce système est critique.1

La longueur des lignes CCHT est indiquée à la figure 1. En somme, l'onduleur 1 est situé à 1050 km des redresseurs. De telles distances nécessitent la modélisation des retards de communica­tion.

Le réseau CCHT est connecté sur un réseau CA à haute tension.

LEFEB VRE/C ASORIA : SYSTEMES DE TRANSPORT CCHT 115

Les rapports de court-circuit à chaque barre de commutation sont relativement faibles (inférieur à 3,0).

Stratégie d'opération Plusieurs stratégies d'opération sont disponsibles pour ce

système3 à savoir: • méthode de la marge de courant constante (Type A), • méthode de la tension limitée (Type B), • méthode décentralisée utilisant des courbes V-I générées locale­ment (Type C), et • méthode des angles d'extinction minimum (Type D).

Les stratégies A, B et C ont été expérimentées, mais la stratégie A a été retenue pour cette publication. C'est en effet la stratégie la plus susceptible d'être utilisée car elle est proche de la stratégie d'opéra­tion d'un lien CCHT et ne requiert pas de modifications impor­tantes des contrôles existants. Cette méthode est basée sur la co­ordination des références de courant des convertisseurs selon l'équation suivante:

Ι™/ - = marge = constante^ AI (1) redresseur onduleur

d'où le nom de la méthode.

convertisseur fonctionne à angle minimum et règle donc la tension du système. Le point de fonctionnement du système correspond à l'intersection de la caractéristique globale des redresseurs avec celle des onduleurs. À la figure 2 les points de fonctionnement sont mar­qués d'un X.

Considérons la figure 2a où le redresseur 2 règle la tension. Les événements suivants, par exemple, nécessitent l'intervention du co-ordonateur. Si on bloque un redresseur on doit recoordonner les références de courant sinon la tension CCHT s'effondre et le tran­sit de puissance est nul. Si on bloque un onduleur, une fois les tran­sitoires éliminées, un point de fonctionnement peut être rétabli, puisque la marge de courant est préservée mais il faut réduire le courant afin de ne pas surcharger l'onduleur en service.

Il est aussi possible d'avoir un onduleur en contrôle de tension comme dans un lien CCHT (voir la figure 2b). Des événements semblables à ceux décrits ci-dessus nécessitent l'intervention du co-ordonateur. Il a déjà été montré qu'un fonctionnement plus sûr est obtenu en ayant un redresseur en contrôle de tension, particulière­ment si l'un des onduleurs est petit par rapport aux autres conver­tisseurs.1 Toutefois si ce redresseur est subitement délesté de sa charge, la tension redressée peut augmenter considérablement. Ces surtensions risquent d'être moins critiques si un onduleur est en contrôle de tension.

La figure 2 illustre les caractéristiques de tension simplifiées des convertisseurs sous la méthode de la marge de courant constante. Soit un système CCHT avec N postes de conversion. Avec cette méthode, N—\ convertisseurs contrôlent leur courant. L'autre

Bus d'adresses Microprocesseur

6800 de \C Motorolla

'RESET" Ί "IRQ"

"nmi"

Bus de données

Circuit d'appel des programmes d'interruption

Ι ΣΕ 2 3

Boutons Potentiomètres

(Pdnneau frontal)

Fiches d'entrée mm

Fiches de sortie

Circuit tampons

Convertisseurs A/N (16 canaux) 3

3

Circuit tampons

Hiiiii Convertisseurs N/A

(2x4 canaux)

Mémoire vive (RAM) —1 Paramètres et variables

Mémoire morte (EPROM)

Le logiciel

Besoins en télécommunications

La plupart des stratégies de commande et de protection des systèmes CCMB sont centralisées et ont recours à des liens de télécommunication rapides. La transmission se fait généralement par voie Hertzienne utilisant les hyperfréquences (7 à 8 GHz). La communication par courant porteur peut aussi être utilisée à des fréquences de 30 à 200 KHz. Le système de communications assure le fonctionnement normal du système par ses opérations de réparti­tion. Il s'occupe également de la protection en cas de défaut. Finalement il est aussi dévolu à la modulation des consignes. Un système de communications rapide est souhaitable pour ces trois fonctions. Toutefois, afin de réduire le coût des communications et la dépendance face à ce système, il n'est pas recommandé de cen­traliser toutes les décisions ou calculs. En particulier, des stratégies de réserve doivent permettre d'opérer le système de puissance en cas de perte des communications, au prix d'une performance peut-être inférieure.

Rapidité des communications La rapidité du système de communications est affectée par des

retards dûs: • au codage et à la modulation (démodulation) du signal transmis (reçu),

Vdl.Idl i

P < i e s H R P 1 !de$1

VdNtldN

desN

itio

ns

•

ibre

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Ο • ibre

ur

Com

mur

• Équi

l

Irefl

IrefN

Niveau convertisseur

ÎMarge

Centre de répartition

c ο

Ο Ο Ε Ε ο ο

Niveau convertisseur

Figure 3: Schéma fonctionnel du simulateur de retards de communication. Figure 4: Co-ordination centralisée.

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Marge

Figure 5: Équilibreur centralisé.

• au temps de propagation, incluant le retard subi dans les stations intermédiaires d'amplification du signal, • à la vérification sécuritaires du signal reçu. Certains des ces facteurs peuvent être améliorés, ex. en utilisant des modems rapides (jusqu'à 42K bit/S), 4 et une bande passante suf­fisamment large. Cependant le temps de propagation est fixé par la distance entre les stations.

Simulation du retard de communication Le rétablissement du système à la suite d'une perturbation relève

en partie des retards de communication, de la configuration du système CCMB, du type de perturbation et des caractéristiques du réseau CA. L'étude sur simulateur permet de mieux cerner les im­plications des retards tout en déterminant les grandeurs acceptables de ces derniers.

Le simulateur de retards utilisé fût développé à l'IREQ 5 et possède les caractéristiques suivantes: • circuit numérique contenant un microprocesseur, des mémoires et des convertisseurs A/N-N/A; • maximum de huit canaux de communication; • pas d'échantillonnage réglable (de 1 à 11ms, par pas de 0,5 ms); • résolution réglable (mots de 4 à 12 bits par pas de 1); et • retard multiple du pas d'échantillonnage (de 1 à 101 fois).

Tension ΔΙ

il >

«> • •Ό 1

i $ l I «Λ 1 *>

-o

Tension

Tension

RedT Courent

Red. 2

Essentiellement, l'appareil reproduit les fonctions d'un générateur de retard pur. Jusqu'à huit signaux d'entrée sont traités indépen­damment de façon sérielle. En l'occurence, il s'agit de signaux de contrôle continus (ex. consignes de courant, de puissance etc.) ayant un spectre de fréquence peu étendu d'une centaine de Hertz.

Le centre névralgique du circuit est le microprocesseur "6800 de MOTOROLA", représenté dans le schéma fonctionnel à la figure 3. Le logiciel, stocké en mémoire morte (EPROM), en gère l'opéra­tion. Une certaine quantité de mémoire vive (RAM) est nécessaire pour stocker les divers variables et paramètres, ainsi que la valeur des échantillons des signaux d'entrée.

Le logiciel mis en oeuvre est constitué par un programme prin­cipal et trois programmes d'interruption: d'initialisation ("RESET"), d'interruption masquable ("IRQ"), et d'interrup­tion non-masquable ("NMI"). Le programme principal traite séquentiellement de maniètre cyclique les huit signaux d'entrée en gérant les convertisseurs A/N et N/A et le stockage des échan­tillons en mémoire vive. Le programme d'initialisation (amorcé par le bouton n° 1) sert à définir les valeurs de départ des paramètres et variables du système, incluant les retards de communication. Le programme principal s'exécute par la suite. Le programme d'inter­ruption masquable (bouton n°2) sert à définir la durée de la période d'échantillonnage (T). Finalement, le programme d'interruption non-masquable (bouton n°3) sert à déterminer la longueur des mots numériques des convertisseurs A/N.

Équilibrage des courants de référence

Toute modification ou interruption du courant à un conver­tisseur exige que les consignes de courant soient recalculées. Ceci est nécessaire afin de transiter la puissance désirée et afin de pro­téger contre les surintensités de courant. Deux méthodes sont suggérées. La première requiert des communications et l'autre pas.

Équilibreur centralisé La fonction essentielle du co-ordinateur est de s'assurer que la

somme des références de courant des redresseurs moins la somme des références de courant des onduleurs soit égale à une constante non nulle et qu'aucune de ces références ne dépasse sa limite. Un tel co-ordonateur est simple à réaliser si les communications sont disponsibles, on dit qu'on a un équilibreur centralisé. Cet équilibreur peut être réalisé analogiquement ou numériquement.6

Un équilibreur analogique a été choisi à cause de sa simplicité.

Les systèmes CCHT, à deux terminaux, sont équipés de régulateurs du puissance: le redresseur transmet une puissance prédéterminée à l'onduleur. Dans le cas de systèmes CCMB à N -terminaux, la puissnee est aussi régulée mais cela exige une certaine co-ordination.

Le principe de la co-ordination est illustré à la figure 4. Dans cette figure, RPj est le régulateur de puissance de la station y. Au départ, les références de puissance pour chacun des convertisseurs sont les entrées des régulateurs de puissance. Les autres entrées de ces régulateurs sont la tension et courant redressés propres à cha­que convertisseur. En général, il n'est possible de réguler la puissance que de N— 1 convertisseurs, où TV est le nombre total de convertisseurs. Donc N— 1 des régulateurs de puissance ont la fonction de transfert ci-dessous

h*sj = ^Kpj + ^ ) (Pd**j — Vdj hj) (2)

Figure 6: Caractéristiques d'équilibrage de trois types différents d'équilibreurs: fa) type /, (b) type 2, (c) type 3.

L'autre régulateur de puissance ne peut pas avoir de caractère pro­portionnel intégral car le convertisseur doit compenser les pertes sur le lien CCHT. On utilise

LEFEBVRE/CASORIA: SYSTÈMES DE TRANSPORT CCHT 117

Idmsk — (3) Tension

où k est l'indice du convertisseur n'étant pas en "régulation de puissance". Dans toutes ces équations, Vdk et Idk sont des valeurs filtrées. On fixe arbitrairement que le convertisseur n'étant pas en régulation de puissance est normalement celui qui est en conrôle de tension pour le système CCMB, alors que les autres convertisseurs sont en contrôle de courant. Ici on fait référence aux caractéristi­ques de tension de la figure 2. Donc l'équation (3) s'écrit plus cor­rectement.

(4)

où AI est la marge de courant voulue, et où Mk = 1 si le conver­tisseur k est en mode redresseur sinon il est égal à - 1 . L'addition de MkAI à l'équation (3) force le convertisseur à assumer le contrôle de tension. Si les références de puissances sont bien co-ordonnées, on peut identifier les références locales de courant des convertisseurs à Idms mais cela n'est généralement pas possible. Le rôle de l'équilibreur situé dans le centre de répartition (voir la figure 4) est de garantir la validité de l'équation (1).

Le diagramme fonctionnel de l'équilibreur est donné à la figure 5. Les entrées de l'équilibreur sont les Id„ , mais possiblement retardées par la transmission dans le système de communication. L'autre entrée de l'équilibreur est la marge de courant désirée. A Id0S i on ajoute la correction u{. Tel qu'indiqué à la figure 5, les w, sont les sorties du compensateur M(s) qui a comme entrée l'erreur d'équilibrage e. Le compensateur M(s) possède une structure pro­portionnelle intégrale. Pour le système de la figure 1

Ut

u2

u3

u4

κ;

κ3

κ4

(*- + t)« (5)

Les gains Ki9 i = 1 à 4, KPM et KIM sont choisis de façon à obtenir la rapidité d'équilibrage désirée et le partage voulu de l'erreur d'équilibrage.

La figure 6 illustre les caractéristiques d'équilibrage de trois types d'équilibreurs différents.

Équilibreur de type 1: Dans le premier type d'équilibreur, tous les convertisseurs participent à l'équilibrage, c'est-à dire que tous les Κι sont différents de zéro (équation (5)). Les Kt sont en fait des facteurs de pondération qui sont choisis en relation directe avec les puissances nominales de convertisseurs. En qualités normalisées, chaque convertiseur participe de la même façon au maintient de la marge. Chaque / d „ est modifié et il y a interaction avec le réglage de puissance.

Équilibreur de type 2: Dans le second type d'équilibreur, un seul convertisseur, dit esclave, participe au maintient de la marge. Pour que l'interaction avec le réglage de puissance soit minimale, le con­vertisseur esclave (convertisseur K) est celui qui est en contrôle de tension. Ce type d'équilibrage est obtenu en posant tous les K{ de (5) à zéro sauf A*.

Équilibreur de type 3: Le dernier type d'équilibreur est un com­promis entre un partage égal de la marge et le mode esclave. Les convertisseurs maîtres sont ceux qui ont Kt nuls alors que les autres sont esclaves. Ce mode d'équilibrage permet de ne pas faire porter le fardeau de l'équilibrage sur un seul convertisseur. Ceci est par­ticulièrement utile lorsque l'erreur initiale e est élevée. De plus le mode maître est retenu pour les convertisseurs particulièrement vulnérables tels un petit onduleur.

Tension

Bloqué

Courant Ia2 1O3 !<J4

Tension

i - Δ Ι

Bloqué π ~Iref2 I Href4 Courant Ia2 Io3 lo4

Figure 7: Équilibrage décentralisé: (a) avant la perturbation, (b) système perturbé avant équilibrage, (c) système perturbé après équilibrage.

ont été déterminés, les gains KPM et KIM peuvent être choisis de façon à obtenir la vitesse d'équilibrage désirée. On peut montrer que l'erreur d'équilibrage, en supposant que les Id0a, et la marge de courant sont constants, est donnée par:

e(t) = e-t/Te(o)

_ - 1 + KPM(K, + K2 + ... + KN) 7 KIM(K, + K2 + ... + KN)

(6)

(7)

La constante de temps d'équilibrage est égale à r. Pour avoir stabilité, il faut que τ soit positif. De plus, KPM etKIM n'ont pas d'in­fluence en régime permanent sur l'équilibrage. En régime perma­nent, on a (si les ne sont pas à leur limite)

_ _ Kj Μι , x

Ir.fi = + - e(o) (8)

2>. L'avantage de la structure proportionnelle intégrale de l'équation (5) est que l'équilibrage est robuste. C'est-à-dire que l'erreur d'équilibrage est toujours forcée à zéro pour n'importe quel choix

Détection de sous - tension

Temporisation

(MjQj)AI

Ml FET

Bloqueur Iref j (sons communication)

Choix de gains KPM et K,„: Lorsque les gains K, de l'équilibreur Figure »: Équilibreur décentralisé.

118 CAN. ELECT. ENG. J., VOL. 10 NO. 3 , 1985

des gains Kj Φ 0 pourvu qu'au moins un des Ides ,· ne soit pas à sa limite.

Équilibreur décentralisé

L'équilibreur décentralisé est un équilibreur de réserve qui ac­complit la tâche de l'équilibreur centralisé de type 1 lorsque le

(p.u.) Vd Red. 1 M M ; M I I M M | t I M M J I I M j I M I I I I M j M M j I I I I I M M

0,35

0,60para

0,56

0,52

0,48

0,44

0 ,40

ι ι ι ι ΙΊ ι ι ι I ι ι ι ι I ii-ii I ι ι il II ι ι ι II ι ι ι I n ι ι I ι ι il I n ni

(p.u.) I ref. R e d 2 (retorde) 11111111 II |ll II 11 I I I | l11I | l I II[1111111 II j 11 II

1 (p.u.) Erreur d'équilibrage

-0 ,03

- 0 , 0 6

-0 ,09

-0 ,12r

-0,15

Γ

(pu.) Marge effective 0,15r ι M | M M | II II |I I II [t I M 11 I I 1 |I I I I | m I [ M I I | M II

0,11 J\ 0 , 0 7 -

0,03 \

- 0 , 0 F

-0 ,05

Perte de la marge ι ι il I η ι ι l ι m II ι ι ι l ι ι il II ι ι ι li ι n l m ι I ι ι ι ι I i m

100 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 ms

Figure 9: Réduction delà consigne de courant au redresseur 2, influence des retards de communication.

système de communication est en panne. L'équilibreur décentralisé permet de rétablir un point de fonctionnement normal du système si la marge de courant est perdue, par exemple après un défaut qui implique le blocage d'un redresseur, sans avoir recours aux com­munications. La vitesse d'équilibrage doit cependant être sacrifiée. De plus, un ajustement préalable des caractéristiques de tension des convertisseurs est nécessaire mais non critique. En absence de com­munications, la régulation de puissance n'est pas autorisée.

Contrairement à ce qui est indiqué à la figure 2, des limites de courant dépendantes de la tension (LCDT) sont incorporées aux caractéristiques des convertisseurs (voir la figure 7a). Ces caractéristiques sont typiques des systèmes de contrôle. Les LCDT sont essentielles pour l'équilibreur décentralisé.

Supposons, qu'à la suite d'un défaut dans le système de la figure 1, que le redresseur 1 doit être bloqué. Si on ne change pas les con­signes de courant, la consigne du redresseur 2 est inférieure à la somme des consignes de courant des onduleurs. La marge de courant est perdue (est négative) et la tension redressée s'effondre. Le point de fonctionnement du système se situe sur les LCDT (voir la figure 7b). Le point est stable mais il n'est pas désirable car peu de puissance est transmise et ceci peut mettre en danger la stabilité du réseau CA.

Le principe de l'équilibreur décentralisé est indiqué à la figure 8. Dans cette figure, le paramètre Mj est défini à l'équation (4) tandis que Oj est défini ci-après. Lorsqu'une sous-tension prolongée est détectée, un court signal de contrôle Dj vient fermer un inter­rupteur (FET) afin que la mesure du courant 7 Φ soit ajoutée à (Mj Q) AI. Ceci fournit le courant de référence Iref s pour le conver­tisseur. Selon la figure 7c.

IrefJ = Iaj"r(MjQj)M (9)

où Iaj est le courant circulant dans le convertisseur avant de rééquilibrer les consignes.

Soit Λ l'ensemble des indices des convertisseurs en fonction. On

Σ Μ , / β , = 0

Donc après équilibrage,

jeA > jcA '

(10)

(11)

On veut que L/jeA Q > 0 pour n'importe quelle contingence de convertisseurs. On peut choiser à priori les Q. Cependant, si à cha­que convertisseur on peut compter sur la présence d'un bit logique indiquant la disponibilité des autres convertisseurs, il est possible pour toute contingence de reproduire exactement l'effet de l'équilibreur de type 1 si on pose

Idnj — Iaj \ Qj — (12)

Résultats

Plusieurs essais furent menés afin d'évaluer les caractéristiques du système CCMB de la figure 1 en ce qui a trait à l'équilibrage des consignes de courant et les retards de communication. Les essais choisis pour cette publication permettent de vérifier les consé­quences des retards de communication et de comparer les perfor-

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(p.ii) Vd Red 1 1,0

0,8 0£ 0,4 0,2

M M | I I I I I I I I I | I I I T | ! I I I | > I I I f I I M | M M J I I M | I I I I

f i »

(p.u.) Id Red.1 0,4 m 0,3 0,2 0,1

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Figure 10: Blocage du redresseur 1, système sans équilibreur de courant.

mances des différents équilibreurs. A noter que les unités sont en p.u. sur la base du système.

Influence des retards de communication Pour cet essai, l'onduleur 1 règle la tension. Un équilibreur cen-

Ό 100 200 300 400 500 ms

Figure 11: Blocage du redresseur 2, équilibreur du type 1.

tralisé de type 3 est utilisé avec le redresseur 2 désigné comme maître et les autres convertisseurs désignés comme esclaves. L'essai con­siste à réduire la consigne de courant au redresseur 2 de 27 pour cent (à 0,44 p.u.) à l'instant 20 ms. La marge de courant est 0,10 p.u. L'essai est montré à la figure 9.

120 CAN. ELECT. ENG. J., VOL. 10 NO. 3, 1985

(p.u.) Vd Red. 1

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(p.u.) Id Ond.1

(p.u.) Id Ond.2

0 200 400 600 800 ms Figure 12: Blocage du redresseur 2, équilibreur du type 2.

Les retards de communication entre l'équilibreur et les conver­tisseurs (sur I„f) sont de 15 ms (redresseur 1), 25 ms (redresseur 2), 70 ms (onduleur 1) et 100 ms (onduleur 2). Ces retards exagérés ont été choisis intentionnellement pour perdre transitoirement la

marge de courant. Les régulateurs de puissance sont très lents de telle sorte que les Id„ sont constants durant Γ essai.

Lorsque l'échelon est appliqué, la consigne Id„ 2 au redresseur 2 descend à 0,44 p.u. Puisque le redresseur 2 est le maître, Ides 2 n'est pas modifié par le processus d'équilibrage. L'erreur d'équilibrage devient initialement plus négative que — 0,10 p.u. indiquant que la marge de courant serait perdue s'il n'y avait pas équilibrage. En moins d'un cycle, cette erreur est réduite à zéro.

Les références de courant équilibrées sont transmises aux con­vertisseurs avec des retards choisis intentionnellement pour retarder l'équilibrage effectif. Les références de courant reçues par les convertisseurs ont été additionnées afin d'obtenir la marge de courant effective. On voit que la marge de courant a été perdue durant environ 50 ms.

Conséquemment, la tension continue se trouve réduite durant cette période; la perturbation est néanmoins faible. Après le rétablissement de la marge, la tension continue se stabilise autour d'une nouvelle valeur. Sans les LCDT, le système aurait été per­turbé beaucoup plus fortement.

Blocage d'un convertisseur

Pour cet essai, l'onduleur 1 est à nouveau en contrôle de tension. Le redresseur 1 est bloqué à 50 ms et reste bloqué. La figure 10 mon­tre le comportement du système lorsqu'il n'y a pas équilibrage. Puisque la consigne de courant du redresseur en service est in­férieure au courant total demandé par les onduleurs, la tension du système s'effondre. Le point de fonctionnement se situe à l'in­tersection des LCDT. Quoique le courant du redresseur 2 soit max­imal, la puissance transmise demeure faible. Une telle opération n'est pas acceptable.

La figure 11 illustre l'action d'un équilibreur de type 1. Cette fois, le redresseur 2 est bloqué à 20 ms. L'onduleur 1 est au départ le terminal souple (régulateur de la tension), la marge de courant étant de 0,1 p.u. Les retards de communication entre l'équilibreur et les convertisseurs sont 40 ms (redresseur 1), 60 ms (redresseur 2), 30 ms (onduleur 1), et 35 ms (onduleur 2).

L'équilibreur reçoit l'indication du blocage après 50 ms, à ce mo­ment il annule indéfiniment le courant de référence du redresseur 2. Puis, il règle en conséquence les autres courants de référence: une augmentation au redresseur 1, à sa valeur limite, et une diminution aux deux onduleurs.

La réponse des convertisseurs est limitée par l'angle de retard minimum de ces derniers. Mais, avant que les convertisseurs ne reçoivent leur nouvelle consigne de courant, la marge est momen­tanément perdue et la tension continue d'affaissé (les LCDT en­trent en action). La marge est rétablie vers 110 ms, et la tension con­tinue retrouve lentement sa nouvelle valeur (1,2 p.u.). Le redresseur 1 règle alors la tension. L'onduleur 1 est en régulation de courant (changement de mode).

La figure 12 montre encore un blocage du redresseur 2, cette fois avec un équilibreur du type 2. Le test se déroule dans les mêmes conditions qu'au précédent. Comme prévu pour ce type d'équilibreur seulement l'ordre de courant de l'onduleur 1, le con­vertisseur esclave, est modifié (à sa valeur limite minimum). La ten­sion continue se rétablit quelques instants plus tard, le redresseur 1 s'occupe du réglage de tension.

En bref, l'équilibreur 2 requiert moins de canaux de communica­tions, car il n'est plus nécessaire d'avoir une grande précision de transmission en contrepartie le convertisseur esclave doit être relativement important.

La figure 13a correspond au blocage du redresseur 1 avec un

LEFEBVRE/CASORIA: SYSTEMES DE TRANSPORT CCHT 121

équilibreur centralisé de type 1 (retards de communication petits) tandis que la figure 13b utilise un équilibreur décentralisé. Dans les deux cas, le redresseur 2 assure le contrôle de tension avant le blocage. La figure 13b montre qu'il est possible de rééquilibrer cor­rectement les consignes de courant des convertisseurs localement, au prix de la vitesse d'exécution. Notons que malgré le blocage, la tension au redresseur 1 existe. Cette tension correspond à la tension à la jonction des lignes Lx et L2 (voir la figure 1).

(p.u.) Vd Red.i (p.u.) Vd Red 1

a) m

b)

Figure 13: Blocage du redresseur 1, (a) équilibreur centralisé du type 1, (b) équilibreur décentralisé.

Conclusion

Des méthodes de co-ordination des convertisseurs pour les systèmes de transport d'énergie en courant continu ont été ex­aminées. La co-ordination d'un système multiborne parallèle a été réalisée grâce à l'équilibrage des références de courant des conver­tisseurs. Divers types d'équilibreur ont été proposés et un simulateur de retards de communication a été décrit. L'étude réalisée sur simulateur mène aux conclusions suivantes: • il est possible d'élaborer une stratégie d'opération telle qu'un système CCMB puisse fonctionner en l'absence de communica­tions, • l'équilibreur décentralisé proposé n'entraîne pas des transitoires indésirables durant le rétablissement du réseau CCMB, et • la performance d'un système CCMB est meilleure lorsque les communications sont disponibles, et les retards de communica­tions n'ont pas de conséquences fâcheuses (avec des LCDT).

Bibliographie

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