Thyristors de mise hors tension de portails : une fondation pour l'efficacité moderne du réseau

La montée constante de la demande mondiale d'électricité, associée à l'urgence de décarboniser les systèmes énergétiques, exerce une pression sans précédent sur l'infrastructure de transmission. Au cœur des efforts de modernisation de cette infrastructure se trouve une classe de commutateurs semi-conducteurs qui a transformé discrètement la régulation de la puissance à haute tension : le thyristor Gate Tower-Off (GTO).

Avant que les OGT ne deviennent commercialement viables, les services publics se sont fortement appuyés sur les thyristors conventionnels et les disjoncteurs mécaniques pour gérer le flux d'énergie. Ces approches ont introduit des pertes de commutation importantes et offert une granularité de contrôle limitée. Le OGT a modifié ce paradigme en combinant une capacité de manutention à haute tension et un interrupteur à portance, permettant des cycles de commutation plus rapides et plus précis qui réduisent au minimum la perte d'énergie à mesure que la chaleur se fait sentir.

Comment fonctionne la technologie GTO

Principes de base de fonctionnement

Un thyristor GTO est un dispositif semi-conducteur à quatre couches p-n-p-n qui peut être activé par une impulsion de courant de porte positive et éteint par une impulsion de courant de porte négative. Dans son état, le dispositif conduit le courant avec une baisse de tension vers l'avant faible, semblable à un thyristor standard. La clé différenciatrice est le mécanisme de mise en marche : en appliquant un courant de porte inverse suffisant pour interrompre la rétroaction régénérative à l'intérieur du dispositif, le GTO peut être forcé dans l'état de blocage.

Le gain de sortie d'un GTO typique varie de 5 à 20, ce qui signifie qu'un courant de porte relativement petit peut interrompre un courant d'anode beaucoup plus grand. Cette propriété rend les GTO pratiques pour les applications de haute puissance. Des appareils modernes sont disponibles avec des puissances de tension supérieures à 6 kV et des puissances de courant supérieures à 6 kA, ce qui les rend aptes à être utilisés dans les couloirs de transmission de tension plus élevée.

Comparaison avec les thyristors conventionnels

Les thyristors conventionnels, également appelés redresseurs commandés au silicium (SCR), ne peuvent être activés que par un signal de porte. Une fois conduits, ils continuent à transporter le courant jusqu'à ce que le courant d'anode tombe sous un seuil de retenue, ce qui exige généralement la tension de la ligne AC pour inverser la polarité. Ce comportement limite la fréquence de commutation et rend difficile le contrôle du flux de puissance dans les systèmes DC.

Les différences opérationnelles se traduisent directement par des avantages au niveau du système. Dans les stations de conversion à courant direct haute tension (HVDC), par exemple, les thyristors conventionnels nécessitent des condensateurs de commutation volumineux et coûteux pour forcer le courant à zéro. Les convertisseurs à base de GTO éliminent une grande partie de cet équipement auxiliaire, réduisant à la fois les coûts en capital et l'empreinte physique.

Gains d'efficacité dans la transmission à haute tension

Réduction des pertes de conduction et de commutation

Les GTO s'attaquent à ces derniers en réduisant la puissance dissipée pendant les phases de conduction et de commutation. Dans l'état de fonctionnement, un GTO présente une baisse de tension vers l'avant, généralement de 1,5 à 3 volts, qui est comparable ou légèrement supérieure à un thyristor conventionnel. Cependant, comme les GTO peuvent basculer à des fréquences plus élevées, la compensation de puissance réactive globale requise est plus faible et le système fonctionne plus près de son facteur de puissance optimal.

Les pertes de commutation, qui surviennent à chaque fois qu'un appareil se déplace entre les états en marche et hors du système, sont un autre facteur important des pertes totales du système. Les GTO sont conçus pour des transitions rapides de déclenchement et de déclenchement, avec des temps de commutation typiques de 10 à 30 microsecondes. Bien que cela soit plus lent que les IGBT, il s'agit d'un ordre de grandeur plus rapide que les systèmes à commutation mécanique.

Amélioration du facteur de puissance et du contrôle de la puissance réactive

La stabilité de la tension dans les systèmes de transmission en courant alternatif dépend du maintien d'un équilibre entre la production et la consommation d'énergie réactive. Les dispositifs de compensation traditionnels, tels que les banques de condensateurs commutées et les condensateurs synchrones, réagissent lentement et sont souvent entièrement activés ou complètement éteints. Les compensateurs VAR statiques (SVC) et les compensateurs synchrones statiques (STATCOMs) basés sur GTO peuvent injecter ou absorber la puissance réactive en millisecondes, aidant à maintenir la tension dans des tolérances serrées même lors de changements de charge rapides.

Cette capacité améliore directement l'efficacité de la transmission en réduisant les courants de circulation qui causent des pertes I2R dans les lignes de transmission. Lorsque la tension est maintenue à proximité de sa valeur nominale, le courant nécessaire pour transmettre une quantité donnée de puissance réelle est réduit au minimum. Les services publics qui ont déployé des STATCOMs basés sur les GTO signalent des réductions de pertes de ligne de 3 à 8 pour cent dans les couloirs à forte charge.

Permettre des systèmes à courant direct haute tension

Le rôle des OSG dans les stations de conversion HVDC

La transmission HVDC est largement reconnue comme la méthode la plus efficace pour déplacer de grandes quantités d'électricité sur de longues distances, en particulier lorsque des câbles sous-marins ou des interconnexions de réseaux asynchrones sont en cause. L'efficacité d'une liaison HVDC est largement déterminée par la performance des stations de conversion à chaque extrémité, où la puissance AC est rectifiée en courant continu puis retournée vers AC. Les thyristors GTO ont permis de construire des convertisseurs source de tension (VSC) qui offrent un contrôle indépendant de la puissance active et réactive, une capacité que les convertisseurs télécommandés (LCCs) à base de thyristors conventionnels ne peuvent pas correspondre.

Les systèmes VSC-HVDC basés sur GTO fonctionnent à des fréquences de commutation de plusieurs centaines d'hertz, ce qui réduit la distorsion harmonique injectée dans le réseau AC et réduit le besoin de grands filtres passifs. Les exigences réduites en matière de filtres se traduisent par des pertes plus faibles et une empreinte physique plus faible pour la station de conversion. De plus, les systèmes VSC peuvent fonctionner dans des réseaux AC faibles ou même des charges passives, ce qui les rend idéales pour connecter des parcs éoliens offshore et d'autres actifs de production à distance.

Étude de cas : Transfert de puissance en vrac à longue distance

Avec la technologie classique de CLC, les pertes totales de stations de conversion sont habituellement de l'ordre de 0,7 à 0,8 % par station, et les pertes de lignes ajoutent 3 à 4 % de plus selon le niveau de tension. Les pertes globales de transmission pour une telle liaison seraient de l'ordre de 5 à 6 %. En remplaçant les convertisseurs de CLC par des convertisseurs VSC basés sur GTO, les pertes de stations peuvent être réduites à environ 0,5 % par station, et le contrôle amélioré des facteurs de puissance réduit les pertes de lignes de 0,5 à 1 %. L'effet net est une réduction des pertes totales de 1 à 2 %, qui, à 6 000 MW et un prix de l'énergie de 50 $ par MWh, se traduit par des économies annuelles d'environ 25 millions de dollars à 50 millions de dollars.

Plusieurs grands projets de HVDC commandés dans les années 1990 et au début des années 2000, dont le câble croisé reliant le Connecticut et Long Island et certaines parties du réseau électrique chinois Southern, ont utilisé des convertisseurs à base de GTO et ont constamment démontré des niveaux de perte inférieurs aux prévisions au cours des décennies d'exploitation.

Soutenir l'intégration des énergies renouvelables

Gestion de la variabilité avec l'électronique à puissance à action rapide

La production éolienne et solaire introduit la variabilité et l'incertitude qui mettent en péril les opérations traditionnelles du réseau. Lorsqu'un nuage traverse une grande ferme solaire ou que le vent chute soudainement, la variation de puissance qui en résulte peut déstabiliser la fréquence et la tension si elle n'est pas compensée rapidement. Les systèmes basés sur GTO, particulièrement lorsqu'ils sont configurés comme STATCOM ou comme faisant partie d'une liaison VSC-HVDC, peuvent réagir à ces fluctuations en millisecondes.

En fournissant une réponse rapide aux fréquences et un support de tension, les appareils GTO réduisent le besoin de réserve de rotation, qui est une capacité de production maintenue en ligne mais fonctionnant en dessous de sa pleine puissance pour pouvoir réagir aux changements. La réserve de rotation est intrinsèquement inefficace parce qu'elle consomme du carburant sans produire d'énergie utilisable. Un réseau avec des contrôles adéquats basés sur GTO peut fonctionner avec moins de réserve de rotation, réduisant la consommation globale de carburant et les émissions.

Connexion des parcs éoliens offshore

Les parcs éoliens offshore présentent des défis uniques en matière de transmission. Les câbles AC nécessaires pour amener l'énergie à terre génèrent de grandes quantités de courant réactif, ce qui limite la distance pratique de la rive à environ 80 km pour la transmission AC. Au-delà de cette distance, le courant de charge du câble devient si grand qu'il consomme la majeure partie de l'ampacité du câble, laissant peu de place au transfert de puissance actif.

Pour un parc éolien offshore de 600 MW situé à 150 km de la côte, un système de transport par courant alternatif subirait des pertes totales d'environ 8 à 10 %, y compris des pertes de câbles et des pertes d'équipement de compensation. Une liaison HVDC basée sur un OMT pour la même distance subirait des pertes totales d'environ 4 à 6 %. La différence de 4 % représente une augmentation importante de la quantité d'énergie renouvelable qui atteint réellement les consommateurs.

Amélioration de la stabilité et de la fiabilité du réseau

Amortissement actif des oscillations de puissance

Les systèmes d'alimentation sont intrinsèquement sujets à des oscillations de basse fréquence, généralement de 0,1 à 2 Hz, qui peuvent résulter de l'interaction des générateurs, des charges et des lignes de transmission. Ces oscillations, si elles ne sont pas amassées, peuvent croître en ampleur et entraîner des pannes généralisées.

Les systèmes de transmission flexible à courant alternatif (FACTS) basés sur GTO, y compris le régulateur de débit unifié (UPFC) et le STATCOM, peuvent injecter des signaux d'amortissement directement dans le réseau de transmission. En modulant la puissance réactive ou l'angle de phase de la tension du bus, ces dispositifs peuvent contrer le comportement oscillatoire en temps réel. Résultat : les lignes de transmission peuvent être chargées plus près de leurs limites thermiques sans crainte d'instabilité.

Capacité de parcours en cas de fautes

Si l'équipement de génération se déconnecte par conséquent, la perte de génération compense la perturbation et peut entraîner des défaillances en cascade. Les systèmes basés sur GTO présentent d'excellentes caractéristiques de déplacement de failles car ils peuvent continuer à fonctionner même dans des conditions de tension fortement déprimées. La capacité de courant de surtension inhérente aux thyristors GTO leur permet de résister à des courants de court-circuit qui détruiront des appareils électroniques de puissance plus délicats.

De plus, comme les appareils à base de GTO sont moins susceptibles de se déplacer pendant des événements transitoires, la capacité globale de transfert de puissance du corridor demeure plus élevée. Les statistiques de fiabilité provenant des réseaux qui ont déployé des appareils à base de GTO montrent des facteurs de disponibilité qui dépassent systématiquement 99 %, ce qui signifie que les avantages d'efficacité sont constamment fournis pendant la durée de vie de l'équipement.

Orientations futures et solutions de rechange émergentes

Évolution vers les dispositifs de l'IGCT et de la SI

Bien que les thyristors GTO restent utilisés, la technologie continue d'évoluer. Le thyristor intégré à portique (IGCT), développé à la fin des années 1990, combine les faibles pertes de conduction d'un GTO avec les caractéristiques de commutation rapide d'un IGBT. Les IGCT y parviennent en intégrant directement l'unité de transmission de portique dans le paquet de thyristor, en minimisant l'inductance erratique et en permettant une mise en marche plus rapide.

En regardant plus loin, les semi-conducteurs à large bande comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrite de galle (GaN) promettent des pertes encore plus faibles et des vitesses de commutation plus élevées. Les MOSFET SiC, par exemple, peuvent fonctionner à des températures de jonction supérieures à 200 °C et basculer à des fréquences mesurées en dizaines de kilohertz, avec des pertes de conduction qui sont une fraction de celles des dispositifs au silicium. Toutefois, le coût actuel des dispositifs SiC et les défis de fabrication des wafers à grand diamètre signifient que les GTO et les IGTC continueront de dominer les niveaux de puissance les plus élevés pendant au moins la prochaine décennie.

Rôle dans les réseaux intelligents et les sous-stations numériques

La vision du réseau intelligent nécessite une communication et un contrôle en temps réel répartis dans tout le réseau de transmission et de distribution. Les appareils basés sur GTO sont des éléments de base naturels pour ce concept de sous-station numérique car ils peuvent accepter les signaux de commande des capteurs à distance et réagir plus rapidement que tout opérateur humain.

Les gains d'efficacité dans ce contexte proviennent d'un flux d'énergie optimisé qui tient compte des températures réelles des lignes, des prévisions de charge et de la disponibilité de la génération. Plutôt que de fonctionner avec des marges de sécurité prudentes, un réseau intelligent équipé de servomoteurs GTO peut pousser les lignes de transmission plus près de leurs limites réelles, puis revenir instantanément en arrière si les conditions changent. Cette approche de notation dynamique peut augmenter la capacité effective d'une ligne de 10 à 30 pour cent sans qu'un seul nouveau conducteur soit enrôlé.

Incidences économiques et environnementales

Réduction du coût de transmission

Pour évaluer l'analyse de rentabilité de la technologie GTO, la mesure pertinente est le coût de transmission normalisé (CLOT), qui tient compte des coûts d'immobilisation, des frais d'exploitation et d'entretien, des pertes et du coût d'immobilisation. Les convertisseurs et les appareils FACTS basés sur GTO ont des coûts d'immobilisation initiaux plus élevés que les équipements conventionnels, mais leur incidence sur les pertes et la fiabilité entraîne une baisse du coût total au cours de la durée de vie du projet.

Chaque mégawatt-heure économisée grâce à des pertes réduites est une mégawatt-heure qui n'a pas besoin d'être produite, évitant les émissions associées. Pour un mélange de production de charbon lourd, réduire les pertes de transmission de 1 pour cent à un lien HVDC de 3000 MW peut éviter les émissions d'environ 150 000 tonnes de CO2 par an. Cet avantage environnemental renforce le cas du déploiement de GTO dans les régions où la pression réglementaire pour la décarbonisation est élevée.

La modernisation de la grille comme priorité stratégique

Les gouvernements et les organismes de réglementation du monde entier reconnaissent de plus en plus que l'efficacité des transports est une condition préalable à un système énergétique à faible intensité de carbone. L'Agence internationale de l'énergie a souligné le rôle de l'électronique électrique, y compris les OMT et leurs successeurs, en tant que technologies habilitantes essentielles pour la modernisation du réseau.

Un exemple notable est le règlement RTE-E de l'Union européenne, qui accorde la priorité aux interconnexions HVDC transfrontalières qui améliorent l'intégration du marché et la stabilité du réseau. Nombre de ces interconnexions précisent la technologie de convertisseur de tension-source qui trace directement sa ligne de connexion au développement de GTO.

Conclusion

Les thyristors de coupure de porte ont fondamentalement modifié le paysage de la transmission de puissance électrique en fournissant la capacité de basculer les hautes tensions et les courants avec précision et vitesse que les systèmes mécaniques ne pourraient jamais atteindre. Les avantages directs réduisent les pertes de conduction et de commutation, le support de puissance réactive dynamique et une meilleure maîtrise se traduisent par des améliorations mesurables de l'efficacité de transmission.

Au-delà des chiffres, la technologie GTO s'est avérée être un pilier pour l'intégration des énergies renouvelables, l'amélioration de la stabilité du réseau et le report d'investissements coûteux dans de nouvelles lignes de transport. Bien que les nouvelles technologies semi-conducteurs telles que SiC vont éventuellement augmenter la barre, le rôle fondamental des GTO dans la modernisation des réseaux électriques mondiaux reste incontesté. Les services publics, les concepteurs de projets et les décideurs qui comprennent l'impact de cette technologie seront mieux équipés pour prendre des décisions qui améliorent à la fois l'efficacité et la résilience de l'infrastructure électrique dont dépend la société.

Pour plus de détails, veuillez consulter la page Perspectives de la technologie de l'énergie de l'AIE 2023 pour un aperçu des tendances de l'efficacité de la transmission, et la page de référence de l'ABB HVDC pour des détails techniques sur les conceptions modernes des stations convertisseurs. Des ressources universitaires telles que Transactions de l'AIE sur l'électronique de puissance fournissent des études évaluées par les pairs sur la performance des appareils GTO et IGCT dans des applications de transmission spécifiques.