Stations de conversion source de tension pour le transport de l’énergie électrique en courant continu - Généralités

Cet article présente les principes fondamentaux et les aspects clés du fonctionnement des stations de conversion à source de tension (VSC – Voltage Source Converter), utilisées dans les liaisons à courant continu haute tension (HVDC – High Voltage Direct Current). Il constitue le premier volet d’une série en trois articles : ce premier article est consacré aux généralités sur les stations VSC-HVDC, le deuxième [D 4 765] traitera des principes de contrôle-commande et de protection, tandis que le troisième [D 4 766] abordera les études électrotechniques, les modèles associés, ainsi que des exemples de comportements typiques en régime dynamique et transitoire.

En 1954, la première liaison à courant continu commerciale, ayant une capacité de 20 MW/±100 kV, a été installée entre la Suède et l'île de Gotland. Depuis, la puissance cumulative de la transmission HVDC installée à travers le monde a augmenté de façon constante, et, récemment, une augmentation fulgurante du volume est en marche. Jusqu'ici, la plupart des systèmes HVDC installés dans le monde sont de type convertisseur à commutation de ligne LCC (Line-Commutated Converter) et utilisent des valves à thyristors (convertisseur source de courant). Actuellement, la ligne de transmission HVDC la plus puissante au monde est de technologie LCC, mise en service en 2019, elle a été construite par plusieurs entreprises dont Hitachi Energy et NR Electric pour les valves, elle est exploitée par SGCC (State Grid Corporation of China), elle connecte la ville de Changji dans la province du Xinjiang à la ville de Guquan dans la province du Anhui en Chine, avec une capacité de 12 000 MW/± 1 100 kV sur plus de 3 200 km. Pour plus d’information sur la technologie HVDC LCC un article des Techniques de l’Ingénieur est disponible [D 4 762].

Introduite à la fin des années 1990, la technologie HVDC-VSC repose sur l'utilisation de convertisseurs à base d’IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors), permettant une flexibilité accrue du contrôle des flux de puissance y compris lors de l’inversion du sens du transit, la connexion à des postes électriques dont la puissance de court-circuit est faible et un support de la tension CA (courant alternatif) à travers le contrôle de la puissance réactive indépendamment de la puissance active. Contrairement à la technologie HVDC-LCC, le HVDC-VSC peut fonctionner sans dépendre de la source CA pour maintenir la stabilité du réseau, ce qui en fait un choix idéal pour des applications telles que l'intégration de parcs éoliens offshore, le raccordement dans des zones éloignées des centrales électriques à base de machines synchrones, permettant ainsi une meilleure intégration des énergies renouvelables, ou encore l'alimentation d'îles et de zones isolées.

Avec la diminution graduelle des pertes et les coûts de production des IGBTs, les VSC sont devenus plus avantageux pour plusieurs applications. Les convertisseurs de type VSC permettent :

• le contrôle indépendant des puissances réactive et active de chaque convertisseur ;

• l’élimination des défaillances de commutation dues à des perturbations sur le réseau AC ;

• de raccorder un réseau alternatif avec une puissance de court-circuit faible, des réseaux passifs sans production, ou des réseaux isolés comme des fermes éoliennes en mer ;

• des modulations plus élevées, ce qui entraîne, des filtres de plus petites tailles, voir même leurs suppressions dans certains cas ;

• l’inversion du sens de transit de la puissance par inversion du sens du courant sans changer la polarité de la tension CC (courant continu), ce qui réduit le stress sur l’isolation des câbles HVDC et permet un contrôle des flux de puissance plus flexible des liaisons HVDC point à point et réseau CC multiterminaux.