Introduction aux thyristors de déverrouillage de porte dans la transmission HVDC

Les systèmes de transmission à courant direct haute tension (HVDC) servent de base au transfert d'électricité à longue distance moderne, permettant une interconnexion efficace entre les réseaux asynchrones et l'intégration de sources d'énergie renouvelables à distance. Au cœur de nombreux systèmes de convertisseur de source de tension (VSC) à base de HVDC, se trouve le Tranking-Off Thyristor (GTO), un dispositif semi-conducteur qui offre un contrôle supérieur sur le flux d'énergie par rapport aux convertisseurs classiques à commutation de ligne (LCC) utilisant des thyristors standard.

Qu'est-ce qu'un GTO et pourquoi est-ce important pour HVDC?

Un Thyristor de coupure de porte est un dispositif semi-conducteur à trois temps qui peut être activé par une impulsion de porte et, de façon cruciale, désactivé par un courant de porte négatif. Cette capacité de coupure complète distingue les GTO des thyristors standard, qui dépendent du courant de circuit principal pour commuter. Dans les applications HVDC, cette fonction élimine le besoin de circuits de commutation externes, permettant aux topologies VSC de contrôler indépendamment la puissance active et réactive. Les GTO peuvent gérer des tensions jusqu'à 6 kV et des courants dépassant 4 kA, ce qui les rend adaptés aux conditions exigeantes d'un environnement de transmission haute tension.

Topologies du convertisseur HVDC basé sur GTO

L'intégration des GTO dans les systèmes HVDC repose sur des configurations de convertisseur spécifiques qui exploitent leur capacité de sortie.Les deux topologies les plus courantes sont le convertisseur à deux niveaux de tension et le convertisseur modulaire à plusieurs niveaux (MMC). Bien que le MMC soit devenu dominant dans les projets modernes HVDC en raison de son évolutivité et de sa faible distorsion harmonique, les convertisseurs à deux niveaux basés sur GTO restent en service dans les installations anciennes et certaines applications de niche.

Convertisseurs à deux niveaux de tension-source avec GTO

Dans un VSC à deux niveaux, chaque jambe de phase est constituée d'une série de GTO (souvent avec des diodes antiparallèles) pour former une valve de commutation. Le bus DC est maintenu à une tension constante, et la sortie AC est une onde carrée avec deux niveaux de tension (+Vdc et -Vdc). En utilisant les techniques PWM, le convertisseur synthétise une forme d'onde AC sinusoïdale avec une magnitude et une phase contrôlées. Les GTO doivent résister à la tension DC complète lorsqu'ils sont éteints, de sorte que le empilage de série des appareils est nécessaire pour atteindre des niveaux HVDC de 100-500 kV. Chaque GTO nécessite une unité d'entraînement à portails dédiée qui fournit les signaux d'allumage et de mise en marche complexes, ainsi que des circuits de snubber pour gérer le partage de tension et le stress dv/dt. La topologie à deux niveaux est relativement simple mais souffre de pertes de commutation élevées et de contenu harmonique significatif, nécessitant de grands filtres AC.

Convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux et GTO

Dans le MMC, chaque phase est composée de plusieurs sous-modules, contenant chacun un GTO (ou un autre semi-conducteur) et un condensateur. En modifiant le nombre de sous-modules insérés dans le trajet actuel, le convertisseur peut générer une forme d'onde AC à plusieurs niveaux de tension. Les GTO dans les applications MMC fonctionnent sous des fréquences de commutation plus basses par appareil, réduisant les pertes de commutation et permettant des circuits d'entraînement à portail plus simples. Cependant, la complexité de l'équilibrage des tensions des condensateurs et la coordination de centaines de sous-modules posent de nouveaux défis de contrôle et de protection.

Considérations de conception pour les systèmes HVDC basés sur les OBT

La mise en oeuvre des OSG dans un système HVDC exige une attention particulière à la conception électrique, thermique et mécanique pour assurer un fonctionnement fiable au cours des décennies de service. Les sections suivantes décrivent les principaux facteurs d'ingénierie qui doivent être abordés.

Conception du disque de porte et du circuit de snubber

Le système de commande de la porte (GDU) d'un GTO doit fournir un courant de pointe élevé (des centaines d'ampères) pour activer rapidement l'appareil et, plus critiquement, une impulsion de courant inverse pour l'éteindre. Le processus de mise en marche est particulièrement exigeant : le GDU doit extraire un courant de porte négatif qui est généralement de un cinquième à un tiers du courant anodique. Cela nécessite des connexions à faible inductance et une alimentation électrique capable de fournir un transfert d'énergie rapide.

Gestion thermique

Les GTO dissipent une chaleur importante pendant le passage et la conduction, les températures de jonction atteignant souvent 125°C sous pleine charge. Une gestion thermique efficace est essentielle pour prévenir la panne du dispositif. Les grands puits de chaleur en aluminium ou en cuivre sont boulonnés directement au bloc GTO, et l'air forcé ou le refroidissement liquide est utilisé pour enlever la chaleur. Dans les piles de soupapes à haute puissance, les systèmes de refroidissement d'eau déionisé avec échangeurs de chaleur sont courants.

Partage et protection des tensions

Lorsque plusieurs GTO sont connectés en série pour bloquer les tensions élevées en courant continu, de légères variations du courant de fuite et du temps de déclenchement peuvent entraîner une distribution inégale de la tension. Le partage statique de la tension est obtenu en plaçant des résistances de haute valeur en parallèle avec chaque appareil, tandis que le partage dynamique pendant la commutation est géré par les réseaux RC snubber. La protection contre la surtension comprend les variateurs, les diodes de rupture (aussi appelées dispositifs de crowbar) et les circuits de serrage actifs qui s'allument sur le GTO si la tension dépasse un seuil de sécurité.

Stratégies de contrôle des convertisseurs HVDC basés sur GTO

Le contrôle précis des GTO permet des techniques avancées de modulation et de régulation qui optimisent le transfert de puissance et la stabilité du réseau. Le système de commande doit générer des impulsions de porte avec un timing précis, généralement synchronisées à la phase de la grille AC par des boucles verrouillées en phase (PLL).

Techniques de modulation de la largeur des impulsions

Dans SHE, les angles de commutation sont précalculés pour éliminer des harmoniques spécifiques à la sortie du convertisseur. La modulation espace-vecteur (SVM) permet une meilleure utilisation de la tension du bus DC et convient pour la mise en œuvre numérique. La fréquence de commutation est maintenue faible – généralement entre 250 Hz et 1 kHz – pour maintenir les pertes de commutation de GTO dans des limites gérables. L'échange entre la performance harmonique et l'efficacité doit être évalué pour chaque projet.

Contrôle de puissance actif et réactif

En modifiant l'amplitude et l'angle de phase de la tension de sortie du convertisseur par rapport au réseau, la puissance active et réactive peut être contrôlée indépendamment. Cette capacité est un avantage clé de VSC-HVDC sur LCC-HVDC. Le système de commande comprend une boucle de courant interne qui régule les courants dq-axe (active et réactive) et une boucle extérieure qui contrôle la tension DC ou le flux de puissance active.

Support de parcours et de grille pour les défauts

Les convertisseurs à base de GTO peuvent y parvenir parce qu'ils sont auto-commutés. Le système de contrôle doit détecter l'état de défaillance, réduire le débit de puissance active (qui pourrait être limité par la capacité de courant excessif de la ligne DC) et injecter le courant réactif en millisecondes. C'est pourquoi VSC-HVDC est souvent utilisé pour connecter des parcs éoliens offshore : le convertisseur peut maintenir un fonctionnement stable même si le réseau AC subit des perturbations.

Défis de mise en œuvre et stratégies d'atténuation

Malgré leurs avantages, les GTO présentent plusieurs obstacles à la mise en œuvre que les ingénieurs doivent surmonter.

Complexité de la conduite des portes

Le circuit de transmission de porte pour un GTO est beaucoup plus complexe que celui d'un thyristor ou d'IBBT. Le courant de mise en marche élevé exige un trajet de transmission de porte à faible inductance et à haute énergie. L'isolement optique de fibre est nécessaire pour transmettre les signaux de porte au potentiel de tension élevée de chaque appareil. L'alimentation de la transmission de porte doit être dérivée du bus DC ou d'une source auxiliaire, ajoutant le coût et le nombre de composants.

Pertes et efficacité de commutation

Les GTO présentent des pertes de commutation relativement élevées, surtout pendant la période de déclenchement prolongée. Le courant de queue – un courant résiduel qui circule après l'impulsion principale – contribue à la dissipation importante de la puissance. C'est pourquoi les GTO fonctionnent généralement à des fréquences de commutation inférieures à celles des IGBT. Les concepteurs de systèmes doivent effectuer une analyse détaillée des pertes, souvent à l'aide d'outils de simulation électrothermique, pour s'assurer que le système de refroidissement peut faire face aux pertes les plus graves.

Considérations relatives aux coûts

Les modules GTO eux-mêmes sont coûteux en raison de la grande surface de la galette de silicium et du processus de fabrication complexe. Cependant, pour les applications à très haute intensité (au-dessus de 2 kA par appareil), les GTO peuvent être plus économiques que le parallèle de plusieurs IGBT. Le coût total du système comprend non seulement les semi-conducteurs, mais aussi les entraînements de portail, les snobs, le refroidissement et le contrôle.

Comparaison avec les IGBT et les IGTC

Le paysage des semi-conducteurs de haute puissance a beaucoup évolué depuis l'introduction des GTO dans les années 1980. Aujourd'hui, les principales alternatives sont les IGBT (et leurs versions press-pack) et les IGCT. Comprendre les compromis aide les ingénieurs à choisir le meilleur appareil pour une application HVDC spécifique.

IGBT c. GTO

Les transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) ont dominé le VSC-HVDC au cours des deux dernières décennies, en grande partie grâce à leur entraînement à porte plus simple (commandé par la tension ou par le courant), à des fréquences de commutation plus élevées et à une connexion parallèle facile. Les IGBT disposent également d'une zone de fonctionnement large et sûre et d'un court-circuit résistent. Toutefois, pour les applications nécessitant une interruption du courant de défaillance ou une fiabilité extrême dans des conditions de court-circuit, les IGBT à presse (qui échouent les court-circuits) sont souvent comparés aux GTO. La chute de conduction élevée des IGBT à des courants élevés les rend moins efficaces que les GTO à des puissances très élevées.

IGCT c. GTO

Le Thyristor commuté intégré Gate (IGCT) est un hybride qui combine la faible perte de conduction d'un thyristor avec la capacité de commutation dure d'un transistor. Un IGCT intègre le GTO die avec un circuit d'entraînement à faible inductance dans un seul paquet, ce qui entraîne des pertes de commutation plus rapides et moins importantes qu'un GTO conventionnel. Les IGCT ont remplacé les GTO dans de nombreux entraînements industriels et convertisseurs de puissance à moyenne tension. Pour HVDC, les IGCT sont évalués dans les topologies MMC parce qu'ils offrent une densité de courant plus élevée et une meilleure fiabilité que les IGBT dans les connexions de série.

Applications et études de cas dans le monde réel

Pour comprendre la mise en œuvre pratique des OSG dans le cadre du HVDC, il est utile d'examiner des projets notables.

Gotland HVDC Light (1997)

Un des premiers projets VSC-HVDC, le lien Gotland HVDC en Suède, a utilisé des IGBT, mais de nombreux projets ultérieurs au début des années 2000 ont adopté des GTO en raison de leur tension élevée. ABB (maintenant Hitachi Energy) Les plates-formes de convertisseurs basées sur GTO ont alimenté plusieurs liaisons de retour à l'arrière et des connexions éoliennes offshore. Par exemple, le câble Cross-Sound entre Connecticut et Long Island (USA) utilise un système VSC-HVDC avec des vannes GTO, évalué à 330 MW, ±150 kV. Le système est en service depuis 2002, démontrant la fiabilité à long terme de la technologie GTO.

Projet d'essai de Shandong HVDC (2018)

En Chine, la State Grid Corporation of China a testé une station de conversion hybride LCC-VSC intégrant des VSC basés sur GTO pour la compensation de puissance réactive. Le projet a validé avec succès l'utilisation de GTO en combinaison avec les LCC basés sur thyristor pour améliorer la régulation de tension pendant les pannes. Les résultats ont été publiés dans le IEEE Transactions on Power Delivery.

Tendances futures de la technologie GTO pour HVDC

Bien qu'aucun nouveau projet majeur de développement du HVDC basé sur les OMT n'ait été annoncé récemment, les recherches en cours visent à améliorer la performance des OMT et à prolonger leur durée de vie opérationnelle.

GTOs en carbure de silicium (SiC)

Les dispositifs de carbure de silicium promettent des pertes de commutation plus faibles et un fonctionnement à température plus élevée. Les GTO de prototype SiC avec des tensions de panne supérieures à 10 kV ont été démontrés en laboratoire. Si la commercialisation réussit, les GTO de SiC pourraient concurrencer les IGBT de silicium en termes de fréquence tout en maintenant des pertes de conduction faibles, potentiellement revigorant l'intérêt pour les convertisseurs basés sur GTO pour la transmission à haute tension en courant continu.

Systèmes de refroidissement avancés

Les nouvelles technologies de refroidissement, comme le refroidissement par immersion en deux phases et les puits de chaleur microcanaux, peuvent réduire la résistance thermique et permettre une plus grande densité de puissance.

Jumeaux numériques et entretien prédictif

Le déploiement de capteurs à fibre optique et d'analyse de données permet de surveiller l'état des vannes GTO. En suivant la température de jonction, les tensions de commutation et les courants, les opérateurs peuvent prévoir la dégradation des appareils et planifier la maintenance de façon proactive.

Conclusion

Leur capacité à changer de tension et de courant à pleine capacité de commande a permis de développer des convertisseurs autocommutés qui révolutionnent le transfert de puissance et l'intégration du réseau à longue distance.Bien que les IGBT et les IGTC aient largement supplanté les GTO dans de nouveaux projets, les GTO restent opérationnels dans de nombreuses installations du monde entier et continuent d'être une option viable pour des applications de très haute puissance où leur robustesse et leur expérience de piste sont appréciées. Les ingénieurs qui conçoivent de nouveaux systèmes HVDC doivent peser les avantages des GTO – capacité de pointe, faibles pertes de conduction et fiabilité établie – contre les défis des entraînements de porte complexes, pertes de commutation plus élevées et disponibilité décroissante de nouveaux modules GTO. À mesure que la recherche sur les matériaux à large bande et les progrès de refroidissement avancés progresse, le rôle des GTO peut évoluer, mais leur héritage en tant que pierre angulaire de la technologie moderne HVDC est sécurisé.