Électronique de puissance GEL-4102 LABORATOIRE Nº5
LIGNE DE TRANSPORT À COURANT CONTINU (HVDC)
1. objectifs
Étudier le fonctionnement et les caractéristiques des convertisseurs à 6 pulsations dans un système de transport à courant continu (HVDC).
2. Description des travaux
Dans ce travail, les simulations sont réalisées avec Simscape de Simulink. On étudie le système suivant:
Ce diagramme unifilaire représente un système de transport à courant continu de 500 MW (250kV, 2kA) reliant un réseau 315 kV, 5000 MVA, 60 Hz à un réseau 345 kV, 10000 MVA, 50Hz.
Les réseaux sont représentés par des équivalents constitués de sources triphasées avec des impédances (R+jX) en série:
R = 0.1 Ω, L = 0.5 mH (pour le réseau 315 kV) et R = 0.1 Ω, L = 0.3 mH (pour le réseau 345 kV).
Les transformateurs sont du type Y-Δ avec les caractéristiques suivantes:
Trect: 315 kV / 220 kV, 60 Hz, 600 MVA, Req = 0.0004 pu, Xeq = 0.001 pu, Rm = 500 pu, Xm = 500 pu Tinv: 345 kV / 220 kV, 50 Hz, 1000 MVA, Req = 0.0004 pu, Xeq = 0.001 pu, Rm = 500 pu, Xm = 500 pu Dans le modèle des transformateurs, on divise les éléments Req et Xeq en deux (primaire et secondaire), de chaque côté de la branche magnétisante. Vous pouvez ouvrir l’aide du transformateur pour voir des détails sur ce modèle.
Les convertisseurs statiques sont des ponts de Graëtz triphasé à 6 pulsations. Les deux réseaux sont reliés par une ligne de transport CC de longueur 300 km. Les paramètres de la ligne sont:
R = 0.015 Ω/km L = 0.792 mH/km C = 14.4 nF/km
Électronique de puissance GEL-4102 Deux inductances de lissage (0.5 H, 0.5 Ω) sont connectées aux deux bouts de la ligne CC.
3. Méthode de modélisation
On utilise les blocs de SimPowerSystems pour modéliser ce système. Le fichier hvdc_6p.mdl est disponible sur le site du cours. Les réseaux sont représentés par des équivalents (blocs 3-Phase Source). Les transformateurs sont modélisés par des blocs Three-phase transformer (two windings). Les convertisseurs sont représentés par des blocs Universal Bridge. La ligne de transport est représentée par un bloc Distributed Parameters Line.
Les systèmes de commande sont modélisés par les blocs Allumage. On impose directement l’angle de retard à l’amorçage avec une valeur de consigne constante.
• Dans la fenêtre de dialogue de chaque bloc, vérifier les valeurs par défaut des paramètres caractéristiques des différents composants du système en fonction des données du protocole.
• Compléter le schéma avec des blocs de mesure appropriés pour mesurer les quantités suivantes:
- tension moyenne et courant moyen sur la ligne HVDC (* voir note)
- valeurs efficaces de la tension ligne-ligne et du courant au secondaire des transformateurs (coté ligne HVDC)
- tension aux bornes du thyristor T1 (thyristor du demi pont supérieur, relié à la phase 1) pour le redresseur et pour l’onduleur
- tensions ligne-ligne aux primaires des transformateurs - courants de ligne aux primaires des transformateurs - puissance active aux primaires des transformateurs
* Note: Attention à l’utilisation du bloc de mesure de la valeur moyenne et de la valeur efficace pour une fréquence donnée :
Mesure de tension: coté réseau 60 Hz, choisir 360 Hz (6*60 Hz) et coté réseau 50 Hz, choisir 300 Hz (6*50 Hz).
Mesure de courant: il faut prendre la différence des fréquences de l’ondulation: 60 Hz (= 360 Hz – 300 Hz) pour tenir compte des sous-harmoniques.
4. Simulation, analyse et dimensionnement 4.1 Analyse du fonctionnement
• Imposer un angle de retard à l’amorçage de 145 degrés pour l’onduleur. Faire plusieurs simulations du fonctionnement avec les valeurs d’angle de retard suivantes pour le redresseur: 25 degrés, 30 degrés, 35 degrés. Pour chaque valeur d’angle, mesurer les tensions moyennes de la ligne HVDC à la sortie du redresseur (Vdr) et à l’entrée de l’onduleur (Vdi).
Mesurer aussi la valeur du courant moyen sur la ligne (Id). Relever la tension aux bornes du thyristor T1 dans le redresseur et la forme de tension de la ligne HVDC. Vérifier l’angle de
Électronique de puissance GEL-4102 retard à l’amorçage avec la tension VAKT1. Analyser vos résultats et comparer la tension moyenne Vdr(a) au résultat du calcul théorique : Vdr( )a 3ULL1 max cos( )a
π −
= ⋅ ⋅
• Imposer un angle de retard à l’amorçage de 30 degrés pour le redresseur. Faire plusieurs simulations du fonctionnement du montage avec les valeurs d’angle de retard suivantes pour l’onduleur: 140 degrés, 145 degrés, 150 degrés. Pour chaque valeur d’angle, mesurer les tensions moyennes de la ligne HVDC à la sortie du redresseur et à l’entrée de l’onduleur.
Mesurer aussi la valeur du courant moyen sur la ligne. Relever la tension aux bornes du thyristor T1 dans l’onduleur. Analyser vos résultats et comparer la tension moyenne Vond (β) au résultat du calcul théorique : Vond( )β 3ULL2 max cos( )β
π −
= ⋅ ⋅
• Comparer les formes de courants à l’entrée et à la sortie du transformateur en amont du redresseur. Quel est l’intérêt d’utiliser un transformateur avec un couplage étoile-triangle. À l’aide de l’outil FFT dans Powergui, tracer les spectres des courants et analyser vos résultats.
Identifier les rangs principaux des harmoniques et expliquer l’absence des autres rangs.
Vérifier que l’amplitude de ces harmoniques est approximativement égale à Id/h (h est le rang de l’harmonique et Id le courant de la ligne DC). Est-ce que le contenu harmonique des courants primaire et secondaire est différent?
4.2 Modèle continu équivalent et dimensionnement
• Établir un modèle continu équivalent de la ligne HVDC en faisant apparaître les tensions Vdr(a) et Vond(β). On souhaite envoyer la puissance active nominale 500 MW du réseau 60 Hz vers le réseau 50 Hz tout en limitant le courant moyen à 2000A. Calculer les angles de réglage du redresseur et de l’onduleur.
• Dimensionner les composants de chaque convertisseur (IFAV, IFRMS, VRRM). Calculer la puissance apparente des deux transformateurs et le facteur de puissance sur chaque réseau alternatif.
• Simuler le fonctionnement avec vos angles de réglage et mesurer les différentes grandeurs calculées. Comparer les résultats (calcul, simulation) et expliquer les différences.
4.3 Influence de la commutation de courant
Afin d’étudier le phénomène de commutation, on augmente les impédances des sources et des transformateurs en utilisant les paramètres suivants:
Réseau 315 kV, 60 Hz: R = 1.9845 Ω, L = 52.6 mH Réseau 345 kV, 50 Hz: R = 1.1903 Ω, L = 37.9 mH Trect: Req = 0.004 pu, Xeq = 0.01 pu
Tinv: Req = 0.004 pu, Xeq = 0.01 pu
• Simuler le fonctionnement du montage avec un angle de 30 degrés pour le redresseur et 145 degrés pour l’onduleur. Faire un tracé des tensions ligne-ligne aux secondaires des
Électronique de puissance GEL-4102 transformateurs et des courants de ligne pour mettre en évidence les commutations de courant et mesurer le temps de commutation.
• Mesurer la tension moyenne et le courant moyen sur la ligne HVDC et comparer ces résultats aux valeurs obtenues dans la partie 4.1 avec les mêmes angles de réglage. Observer la tension aux bornes du thyristor T1 de l’onduleur et mesurer le temps d’application de la tension inverse lors de son blocage. Dans ces conditions, en déduire une valeur maximale de l’angle de retard à l’amorçage de l’onduleur qui permet de garantir un blocage des thyristors au courant nominal de la ligne (2000A).
5. Rapport
Suivre le plan du protocole pour répondre à toutes les questions. Illustrer vos analyses par des impressions des formes d’ondes simulées et des tableaux de valeurs.
