Etude de faisabilité sur l'évaluation de la mesure en laboratoire des pertes des valves VSC

Chef de file (DE)
C. RATHKE

Secrétaire (NL)
Y. FU

S. BØDAL (NO), C. DAVIDSON (GB), J. DORN (DE), Q. LI (CN), J. LIGER (FR), R. ONISHI (JP), C. PLET (NL), B. SHENG (SE), Z. SONG (GB), Y. ZHOU (CN)

Dans la Brochure Technique (BT) on commence par une présentation générale des pertes dans les valves de conversion CCHT VSC, de l'origine des différentes pertes dans les composants, de la relation entre les pertes et les différents modes de fonctionnement, ainsi que des aspects spécifiques associés à différentes conceptions. Viennent ensuite un résumé des pratiques actuelles en matière de détermination des pertes des valves, avec la modélisation des paramètres des semiconducteurs, et une étude sur la façon dont on pourrait améliorer la transparence de l'ensemble du processus de calcul. Une évaluation des méthodes existantes de calcul des pertes, qui constitue le principal résultat de l'étude du GT B4.75, est fournie. Ceci est complété par une présentation d'ensemble des conditions de fonctionnement, et des autres aspects pertinents pour la mesure des pertes (telles que les aspects commerciaux), qu'il est nécessaire de prendre en compte. Dans la dernière partie les résultats sont résumés et on formule des recommandations sur l'utilisation des mesures de pertes, qui peuvent constituer des orientations utiles pour l'introduction des mesures de pertes dans les essais de type de fonctionnement des valves VSC.

Présentation générique des diverses composantes des pertes des valves

La Figure 1 permet de voir les différentes composantes des pertes des valves et de voir comment elles se répartissent entre les différents milieux de refroidisement (liquide de refroissement et air du hall des valves). Il faut noter que la ditribution des pertes dépend fortement de la conception des valves (par ex. de quels composants ont été connectés au radiateur refroidi par liquide), et de la consigne de fonctionnement du convertisseur (par ex. pleine puissance ou hors charge). Pour la majorité des convertisseurs toutes les pertes sont in fine évacuées dans l'air ambiant, encore que pour les stations offshore une certaine proportion peut être aussi évacuée dans l'eau de mer.

Figure 1 - Présentation générique des composantes des pertes des valves et du refroidissement

Pratique actuelle en matière de détermination des pertes de valves

La pratique actuelle consiste à évaluer les pertes de valves par une combinaison de mesures des pertes de composant/équipement et de calculs selon la CEI 62751. Les étapes principales en sont :

Le constructeur et leur chaîne d'approvisionnement procèdent à des essais de routine et à des mesure de caractéristiques sur les composants clés des valves
Le constructeur simule la station VSC complète pour déterminer la tension de valve, le courant de valve, les instants de commutation et les autres paramètres pertinents
Sur la base des éléments des étapes 1 et 2 le constructeur calcule les pertes de valves
Le constructeur établit un rapport rassemblant les résultats des calculs de pertes et les transmets à l'acheteur

A partir des données des fiches techniques, des précédents projets, des essais R&D et des simulations antérieurs, un résultat de calcul de perte peut être établi au moment de la préparation des offres, et être utilisé comme un montant garanti de perte dans l'offre. Si nécessaire le calcul des pertes peut être répété ultérieurement, à l'étape d'exécution du projet, sur la base des données des essais de routine réalisés sur les composants effectivement fournis pour le projet. La Figure 2 et la Figure 3 illustrent le processus général, et le Tableau 1 présente les sources des informations exploitées habituellement à l'étape de l'offre et à l'étape de l'exécution du projet.

Figure 3 - Processus de détermination des pertes pour un projet effectivement réalisé

Tableau 1 – Sources habituelle des caractéristiques de valve, aux différentes étapes du cycle de vie du projet

Il subsiste, cependant, certaines déficiences dans la norme. En particulier la méthode préconisée implique une simulation très détaillée décrivant chacun des courants instantanés dans chacun des composants du semiconducteur, à chaque pas de simulation. De ce fait la charge de calcul dépasse les capacités humaines et un programme automatique est nécessaire. Le deux principaux domaines de faiblesse sont :

l'insuffisance de normalisation de la méthode de modélisation des paramètres des semiconducteurs en fonction du courant, et
le manque de transparence du processus global de simulation pour l'acheteur.

Présentation générique des points de la mesure en laboratoire des pertes au niveau des valves ou des sections

Un arrangement générique d'essai de type de valve en opération est constitué d'un objet soumis à essai, qui est connecté à une source d'essai via une impédance de charge faible (habituellenment une inductance). La source d'essai est alimentée par une source CC qui fournit les pertes de l'ensemble de l'arrangement d'essai. Un refroidissement liquide est nécessaire à l'objet en essai et à la source d'essai, et il peut être assuré par un système de refroidissement unique ou des systèmes séparés, en fonction du choix de la source d'essai. Les mesures des pertes au niveau valve ou section de valves peuvent être réalisées avec le même arrangement d'essai de type de valve en opération. On présente sur la Figure 4 les points de mesures de pertes.

Figure 4 - Arrangement générique d'essai de mesure des pertes au niveau de la valve ou de la section de valves

Vue d'ensemble des méthodes de mesure des pertes examinées

Les mesures des pertes au niveau d'un dispositif et les mesures pour un composant décrites dans la section 4.2 de la BT ont été utilisées en CCHT. Elles constituent la base des calculs de pertes selon les CEI 62751 – 1 et 2. On examine aussi dans la section 4 de la BT d'autres méthodes possibles de mesure, qui sont résumées dans le Tableau 2.

Méthodes	Section de la BT 844	Objet	Ce qui est couvert	Avantages	Inconvénients
Mesure sur site P_in-P_out	4.4	Sur un convertisseur	Pertes de toute la station	Mesure la plus complète	Pas seulementpour les valves Pas précis, sauf pour les pertes à charge nulle
Mesure électrique sur site	4.4.1	Sur des convertisseurs dos à dos	Pertes de toute la station	Très complète et plus précise que la précédente	Demande des équipements primaires supplémentaires pour la reconfiguration Constraintes de la disposition de la station Applicabilité limitée
Mesure thermique sur site: ∆T x débit	4.4.2	Sur un convertisseur	Pertes valves du convertisseur toutes évacuées par le refroidissement liquide	Simple Réaliste Très complète Mesure continue	Pas précis Pertes dans l'air non prises en compte Demande des conditions de fonctionnement stables sur une longue période (se mesure en heures et jours, même)
Mesure électrique en laboratoire Mesure directe des pertes fournies au circuit d'essai	4.3.1.2.2a	Un seul niveau de valve ou une section de valves	Pertes d'un seul niveau de valve ou d'une section. Inclut les pertes de la réactance de charge	Précision élevée pour le circuit en essai	En fonction de l'arrangement d'essai utilisé, des formes d'onde du courant et de la tension peut ne pas être complètement représentative Il faut calculer et soustraire les pertes de la réactance de charge Les algorithmes de contrôle peuvent ne pas être complètement représentatifs de la conception finale
Mesure électrique en laboratoire Mesures de la tension et du courant de l'objet en essai	4.3.1.2.2b	Un seul niveau de valve ou une section de valves	Pertes d'un seul niveau de valve ou d'une section. sans les pertes de la réactance de charge	Plutôt complète	En fonction de l'arrangement d'essai utilisé, des formes d'onde du courant et de la tension peut ne pas être complètement représentative Précision de la mesure atteignable Les algorithmes de contrôle peuvent ne pas être complètement représentatifs de la conception finale
Mesure thermique en laboratoire, Sans chambre calorimétrique pour les pertes dans l'air	4.3.2.	Un seul niveau de valve ou une section de valves	Seulement les pertes d'un seul niveau de valve ou d'une section, évacuées par le liquide de refroidissement	Simple	En fonction de l'arrangement d'essai utilisé, des formes d'onde du courant et de la tension peut ne pas être complètement représentative Précision de la mesure atteignable Les algorithmes de contrôle peuvent ne pas être complètement représentatifs de la conception finale
Mesure thermique en laboratoire Avec chambre calorimétrique pour les pertes dans l'air	4.3.2.	Un seul niveau de valve ou une section de valves	Seulement les pertes d'un seul niveau de valve ou d'une section, évacuées par le liquide de refroidissement	Très complète	En fonction de l'arrangement d'essai utilisé, des formes d'onde du courant et de la tension peut ne pas être complètement représentative Précision de la mesure atteignable Configuration d'essai compliquée Les algorithmes de contrôle peuvent ne pas être complètement représentatifs de la conception finale

Conclusion

La conclusion du GT B4.75 est que la mesure en laboratoire des pertes des valves est faisable, mais que le niveau de précision obtenu reste toujours très mauvais. La recommandation générale est par conséquent que la mesure en laboratoire devienne une partie normalisée des essais de type de fonctionnement des valves VSC, de façon que l'industrie acquière plus d'expérience dans le domaine au cours des prochaines années. Il n'est par contre pas recommandé que les valeurs mesurées des pertes des valves soient utilisées comme un critère financier d'évaluation des projets CCHT, ceci tant que l'industrie n'a pas rassemblé une expérience suffisante et atteint un consensus sur un niveau d'incertitude de la mesure qui soit pratiquement accessible.