Guide pour les études des transitoires électromagnétiques concernant les convertisseurs VSC

Chef de file (FR)
S. DENNETIERE

Secrétaire (FR)
P. RAULT

T. PRIEBE (GE), S. BECKLER (GE), H. SAAD (FR), S. ELIMBAN (CA), E. PRIETO ARAUJO (SP), J. BEERTEN (BE), R. TENÓRIO (BR), A. ROGERIO (BR), J.C. GARCIA ALONSO (CA), J. VELÁSQUEZ (DE), Z. YUEBIN (CN), H. SURIYAARACHCHI (CA)

Introduction

Le domaine d'intérêt de la BT est limité aux systèmes CCHT-VSC point à point, de technologie MMC, de configuration monopolaire symétrique, qui sont actuellement les plus représentés dans les systèmes CCHT-VSC. Même si les lignes aériennes CC, les raccordements CCHT des parcs éoliens, et les réseaux multi terminaux CC, sont en dehors du champ de la BT, les recommandations de la BT ne demandent qu'à être légèrement adaptées pour s'appliquer à ces topologies. Toutes les simulations et analyses présentées dans la BT sont réalisées avec des outils de simulation EMT

Dans la BT on commence, avant d'aborder l'analyse des transitoires, par une description des principales configurations des stations de conversion, dans laquelle on présente les topologies des convertisseurs et ainsi que leurs principaux composants, et on explique leurs fonctions. Comme les systèmes de contrôle et protection (C&P) ont une grande influence sur le comportement dynamique des VSC, on fournit aussi une description générale de leurs principales fonctions.

Etudes EMT réalisées au cours du cycle de vie des systèmes CCHT-VSC

Au cours du cycle de vie des systèmes CCHT-VSC, de la phase de la planification jusqu'à la maintenance et l'exploitation, différents groupes d'acteurs sont impliqués. Les simulations EMT sont utilisées intensivement par les constructeurs CCHT et les compagnies d'électricité, pour concevoir et vérifier les performances du système retenu pour le projet. Les constructeurs et les compagnies d'électricité possèdent une expérience considérable en matière de modélisation et d'étude des systèmes CCHT-VSC. Cependant la modélisation correcte du système dans lequel le système CCHT devra être intégré est également de la plus haute importance. Les données d'entrée des modèles EMT sont une combinaison des informations du client et des modèles du fournisseur. C'est la raison pour laquelle les parties qui fournissent ces données doivent comprendre les objectifs de toutes études, à chaque étape du projet, ainsi que le niveau de détail exigé. La Figure 1 on donne un exemple des données d'entrée et de sortie pour les études des contraintes transitoires et de la coordination des isolements.

Figure 1 – Exemple des données d'entrée et de sortie pour les études des contraintes transitoires et de la coordination des isolements

Transitoires en fonctionnement normal

La description des transitoires commence par le cas du fonctionnement normal. Elle couvre les changements de consignes, la connexion ou la déconnexion de changes, et l'impact des différentes stratégies de contrôle. Comme montré sur la Figure 2, les solutions de démarrage sont également évaluées avec leur impact sur les transitoires. Quelques cas typiques de manœuvres sur le réseau CA, avec une liaison CCHT-VSC proche, sont analysés. On présente également dans la BT des transitoires typiques associés aux conditions d'une reprise autonome.

Figure 2 – Exemple en fonctionnement normal – tension pôle et tension de sous-module en phase de démarrage

Analyse des transitoires côté réseau

Les études des transitoires associés aux incidents survenant du côté réseau (essentiellement les défauts CA) sont réalisées pour déterminer les contraintes affectant les équipements du système CCHT-VSC. Ces études sont en outre nécessaires pour analyser le comportement dynamique des systèmes de contrôle CCHT-VSC lors des incidents transitoires, et leur impact sur réseau CA. Les conséquences d'un défaut monophasé CA à la terre, avec ou sans contrôle du courant inverse, sont présentées sur la Figure 3.

Dans les projets réels on utilise ces études pour déterminer les scénarios de pire cas qui peuvent se produire, et pour vérifier, également, le respect des spécifications du code de réseau, et analyser l'impact du fonctionnement du système CCHT sur le réseau CA.

(a) Courants du côté convertisseur sans contrôleur du courant inverse

Figure 3 – Exemples de transitoires dans un réseau terrestre - formes d'onde typiques pour un défaut monophasé à la terre

(b) Courants du côté convertisseur avec contrôleur du courant inverse

Figure 3 – Exemples de transitoires dans un réseau terrestre - formes d'onde typiques pour un défaut monophasé à la terre

Analyse des transitoires côté CC

Les transitoires du côté CC produits par des défauts ou des manœuvres côté CC, ou internes au convertisseur, peuvent provoquer des contraintes de tension et de courant sur tous les équipements, au sein même de la station de conversion ainsi que sur la liaison de transport CC, comme les câbles CC, les lignes aériennes CC et les jonctions des câbles. Lors de la survenue de transitoires du côté CC le système doit être protégé pour éviter des dommages sur les équipements. Les simulations de transitoires du côté CC sont réalisées pour déterminer les contraintes thermiques, les efforts sur les structures et/ou les contraintes diélectriques, auxquels les différents équipements doivent résister et, aussi, les distances d'isolement dans l'air permettant une exploitation en sécurité. La Figure 4 montre un exemple de transitoires de réseau CC. Il s'agit des tensions sur les bus internes constatées lors d'un défaut à la terre sur un pôle.

Figure 4 – Exemple de transitoires dans un réseau CC – Tensions sur les bus internes pour un défaut CC à la terre sur un pôle

Etudes des interactions

L'intégration en nombres croissants de dispositifs à électronique de puissance (PED) dans les réseaux CA conduit à augmenter le risque d'interactions dans ces systèmes électriques, entre les PED, les composants de réseau (passifs), et/ou les centrales de production conventionnelles. L'étude des problèmes d'interaction induits par les PED est en outre très difficile, à cause de:

La complexité des systèmes C&P des PED
La forte influence des PED sur les systèmes électriques
Du caractère confidentiel des algorithmes des C&P
De la diversité des outils logiciels, des leurs versions, et des paramètres de simulation, des modèles fournis pour chacun des PED
Du besoin de maintenir le modèle tout au long du cycle de vie du système CCHT-VSC

Dans la BT un chapitre fournit des instructions pour analyser les interactions au moyen d'outils EMT, en fonction du type des interactions. Ces instructions reflètent la compréhension la plus avancée de ce phénomène d'interactions et les méthodologies présentées sont appelées à évoluer dans futur, avec l'intégration de PED en plus grand nombre.

Un exemple d'interactions à haute fréquence est donné sur la Figure 5.

Figure 5 - Exemple d'interactions avec des équipements à électronique de puissance – Interactions à haute fréquence entre convertisseur et réseau

Conclusion

La BT constitue un guide à l'intention des acteurs impliqués dans les études EMT des CCHT-VSC, en premier lieu en décrivant les différentes études EMT prenant place aux différentes étapes d'un projet. Ce guide devrait permettre aux clients d'anticiper les besoins de ressources et de données liés à un projet. En plus, grâce à une importante collection de formes d'onde typiques, bien documentées, elle donne des clés de lecture aux ingénieurs qui voudraient analyser les transitoires de station de conversion CCHT-VSC, obtenus au moyen de simulations EMT ou provenant d'enregistrement d'incidents en exploitation.