25 Mai 2012  |  Électrotechnique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 05/2012

De nouvelles applications des convertisseurs moyenne tension

Sandro Buss

Modularité, flexibilité et efficacité forment la base du nouveau concept des convertisseurs de moyenne tension de Siemens. Il  permettra d’appliquer différentes topologies, basées sur les mêmes éléments constitutifs, dans des applications exigeantes, comme sur des bateaux, des parcs éoliens maritimes ou dans la métallurgie.
 
L’utilisation de la nouvelle topologie M2C, pour Modular Multilevel Converter, fait partie d’un nouveau concept, à la base d’une nouvelle génération de convertisseurs de moyenne tension. Ces modules offrent une disponibilité ainsi qu’une fiabilité accrues, ainsi qu’une meilleure compatibilité avec les différents réseaux électriques. Générant un signal parfaitement sinusoïdal, ils évitent l’utilisation d’un filtre, ce qui augmente leur rendement à h = 98 %. Cette nouvelle topologie en cellules est compatible avec tous les réseaux.
 

Figure1. La topologie M2C, basée sur des modules cellulaires librement combinables, comparée à deux structures plus anciennes de convertisseurs de moyenne tension.
 
L’invention
Ce récent développement repose sur les travaux du Prof. Florian Marquardt, spécialiste de la théorie de la matière condensée, qu’il a étudiée à Bâle. Il est aujourd’hui titulaire d’une chaire dans le département de physique de l’Université d’Erlangen-Nuremberg. La mise en œuvre par Siemens de ses travaux théoriques a permis de déposer une vingtaine de brevets.

Les applications
Cette innovation est en phase avec la tendance actuelle, visant à réaliser des installations toujours plus puissantes et performantes. Ses éléments constitutifs permettent de combiner avec souplesse les anciennes topologies de convertisseurs aux nouvelles. Alors qu’aujourd’hui, on doit utiliser un grand nombre d’appareils pour couvrir l’éventail des applications des onduleurs, la topologie M2C utilise les mêmes composants, qu’on peut brancher librement en série.
Il devient ainsi possible de réaliser des convertisseurs redresseurs de courant de petite ou de grande puissance, ainsi que toutes les versions intermédiaires, avec une même cellule constitutive. Ces transformateurs multiniveaux continuent à fonctionner, même si une des cellules venait à faillir. Tout en permettant un réglage fin de la tension et de la puissance, ils augmentent la disponibilité grâce à leur redondance facilement mise en œuvre. Différentes applications industrielles profiteront d’une fiabilité accrue, en particulier là où les installations traditionnelles sont limitées par de longs chemins d’alimentation du réseau en courant ou par des réseaux peu stables.
Les convertisseurs moyenne fréquence réalisés sur la base de ce concept modulaire sont très robustes. Ils permettent de relier au réseau public des parcs éoliens maritimes d’une puissance de plusieurs mégawatts, sans avoir recours ni à des filtres, ni à des transformateurs. Cette nouvelle technologie de moyenne tension offre ainsi une efficacité énergétique nettement supérieure à celle des installations de basse tension utilisées à ce jour.
 
Figure 2. La nouvelle topologie M2C fait partie du concept des nouveaux convertisseurs moyenne tension modulaires de Siemens.
 
Des mesures effectuées sur une éolienne d’une puissance de 3 MW raccordée à l’un de ces convertisseurs, ont montré que celle-ci injectait quelque 24’000 kWh supplémentaires dans le réseau chaque année. Extrapolé à un parc éolien comportant cinquante de ces hélices, cela représente l’équivalent de l’approvisionnement de quelque 400 ménages. Les usines marémotrices font également partie des champs d’application potentiels de ces nouveaux convertisseurs multiniveaux.

Une application pilote
La topologie modulaire M2C permet de viabiliser de nouvelles applications, comme dans la construction navale. L’intégrateur système SAM Electronics a ainsi intégré ce système modulaire dans des alternateurs de ligne d’arbre qui alimentent le réseau électrique de grands bateaux depuis le groupe diesel principal. Les convertisseurs moyenne tension basés sur la topologie M2C équipent les navires d’une société maritime allemande. Ils injectent l’énergie produite par ces alternateurs de ligne d’arbre directement (c’est-à-dire sans filtres ni transformateurs) dans le réseau de moyenne tension à bord.
Cette nouvelle topologie permet de produire des tensions couvrant la plage comprise entre 2,3 et 7,2 kV. Elle fournit des courants de sortie compris entre 500 et 1000 A. Dans la construction navale, ces convertisseurs répondent à toutes les exigences de compatibilité avec toutes les spécifications de bord, y compris aux capacités de surcharge et de comportement en cas de court-circuit.
 
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