Modelisation et simulation d'une liaison HVDC de type VSC-MMC

RESUME Le transport d’energie en courant continu a haute tension (CCHT ou HVDC) est aujourd’hui en pleine expansion dans le monde. Deux principaux facteurs sont a l’origine de cet engouement. Le premier est lie a la difficulte de construire de nouvelles lignes aeriennes pour assurer le developpement du reseau a haute tension qui fait que le recours a des câbles souterrains est de plus en plus frequent. Or l’utilisation de ces câbles est limitee en longueur a quelques dizaines de km a cause du courant capacitif genere par le câble lui-meme. Au-dela de cette longueur limite, la solution consiste generalement a transporter en courant continu. Le second facteur est lie au developpement de l’eolien offshore qui necessite de raccorder des puissances de plusieurs centaines de MW au reseau continental au moyen de câbles dont les longueurs peuvent atteindre quelques centaines de km et ce qui necessite donc le transport en HVDC. De facon concrete, plusieurs projets de transmission HVDC ont ete planifies par le gestionnaire du reseau de transport francais RTE. Le projet INELFE, par exemple, est une interconnexion HVDC entre la France et l’Espagne, pour la transmission de 2000 MW. Cette these est financee par RTE, dans le but de modeliser, simuler en temps reel et etudier les risques d’interaction entre ces liaisons HVDC. La particularite des ouvrages de transport en courant continu est de faire appel a un controle commande dedie qui va en grande partie determiner le comportement dynamique de la liaison tant sur des grosses perturbations (defauts sur le reseau) qu’en regime de petites variations. Il existe differentes topologies VSC (Voltage Source Converter), comme les convertisseurs a deux niveaux, les convertisseurs multi-niveaux avec des diodes et les convertisseurs multiniveaux avec des condensateurs flottants. Toutefois, en raison de la complexite des commandes et des limites pratiques, les installations de systeme HVDC-VSC ont ete limitees a des convertisseurs a deux niveaux et a trois niveaux. Recemment, la mise au point de la technologie modulaire appele MMC (Modular Multilevel Converter [Siemens]-[Alstom]) ou CTL (Cascaded Two Level topology [ABB]) en fonction des industriels, a permis de surmonter les limites des autres topologies multi-niveaux pour les applications HVDC. Cette topologie est constituee de plusieurs sous-modules connectes en series. Chaque sous-module contient deux IGBTs avec leurs diodes antiparalleles et un condensateur qui sert comme accumulateur d’energie.----------ABSTRACT High-voltage direct current transmission systems (HVDC) are rapidly expanding in the world. Two main factors are responsible for this expansion. The first is related to the difficulty of building new overhead lines to ensure the development of high-voltage AC grids, which makes the usage of underground cables more common. However, the use of such cables is limited in length to a few tens of km because of the capacitive current generated by the cable itself. Beyond this length limit, the solution is usually to transmit in DC. The second factor is related to the development of offshore wind power plants that require connecting powers of several hundred of MW to the mainland grid by cables whose lengths can reach several hundreds of km and consequently require HVDC transmission system. Several HVDC projects are currently planned and developed by the French transmission system operator RTE. One of such projects is the INELFE interconnection project, with a capacity of 2,000 MW, between France and Spain. This thesis has been funded by RTE, in order to model and simulate in off-line and real time modes, modern HVDC interconnections. The delivered simulation means are used to examine targeted HVDC system performances and risks of abnormal interactions with surrounding power systems. The particularity of the INELFE HVDC system is the usage of a dedicated control system that will largely determine the dynamic behaviour of the system for both large disturbances (faults on the network) and small perturbations (power step changes). Various VSC topologies, including the conventional two-level, multi-level diode-clamped and floating capacitor multi-level converters, have been proposed and reported in the literature. However, due to the complexity of controls and practical limitations, the VSC-HVDC system installations have been limited to the two-level and three-level diode-clamped converters. Recently, the development of modular technology called MMC (Modular Multilevel Converter [Siemens] - [Alstom]) or CTL (Cascaded Two Level topology [ABB]) has allowed to overcome existing limitations. This topology consists of several sub-modules connected in series. Each submodule contains two IGBTs with antiparallel diodes and a capacitor that act as energy storage. The control of these IGBTs allows connecting and disconnecting the capacitor on the network.