En bref

Systèmes embarqués et connectés

Fonds HES-SO

Yves Birbaum
Répertoire des compétences

mai 2018 - août 2019

Alimentation auxiliaire à haute tension d'isolation pour convertisseurs modulaires destinés à l'intégration d'énergie renouvelables au niveau moyenne tension dans les réseaux de distribution flexibles.

Actuellement l'ensemble de la planète et notamment les pays européens sont tous confrontés aux problématiques des ressources énergétiques, le pétrole et le charbon sont des ressources limitées, la volonté politique de sortir du nucléaire sous la forme des réacteurs actuels nécessite l'augmentation de la production d'énergies renouvelables. Cette évolution de la production d'énergie induit de nouvelles contraintes au niveau de la gestion des réseaux de distribution électriques. Le réseau est amené à gérer des flux d'énergie qui ne sont plus unidirectionnels du fait que la production d'énergies renouvelables peut être insérée en de multiples points du réseau. L'injection de forte puissance sur les parties basse tension du réseau de distribution peut provoquer des surcharges pour les lignes et les transformateurs du réseau. Afin d'éviter ces problématiques de surcharges, l'injection de forte puissance sur le réseau est aujourd'hui privilégiée au niveau du réseau moyenne tension. Cette flexibilisation des réseaux de distribution d'énergie électrique passe par des convertisseurs de type multi-niveaux et modulaires capables de travailler sous des tensions bien supérieures aux tensions de blocages classiques des semi-conducteurs.

L'alimentation des auxiliaires de ce type de convertisseurs est un enjeu à part entière. En effet, il s'agit de fournir une faible puissance à un grand nombre de modules sous une tension de fonctionnement élevée (10kV) en garantissant une redondance au système. Les solutions actuelles utilisent soit des transformateurs d'isolation qui sont chers et encombrants ou une boucle de courant dont l'installation et la maintenance sont peu aisés.

La solution proposée dans ce projet est de réaliser des alimentations à l'aide de transformateurs planaires qui utilisent le substrat du circuit imprimé pour garantir l'isolation électrique entre le primaire et le secondaire. Cette technique permettra également d'intégrer l'ensemble de l'alimentation sur le même support. Cette solution permettra de réduire le poids, l'encombrement et le prix de réalisation.

Dans le cadre de ce projet, l'étude des propriétés réelles des substrats époxy a été un point fondamental, afin d'identifier si ces matériaux sont adaptés au fonctionnement en moyenne tension. Un design de circuit pour le transformateur et l'alimentation a été simulés et évalués en test pour des tensions de fonctionnement à 12kV DC et AC. Finalement des tests en situation de fonctionnement réel dans un convertisseur multiniveaux à tension réduite ont été effectués afin de valider le comportement lors de transitions appliquant de fortes variations de tension en un temps très court (dV/dt). Un observateur de courant parasite lors des transitions du/dt a été implémenter dans le but premier d'observer le comportement de l'alimentation en fonctionnement et à terme ce système devrait permettre d'évaluer le vieillissement du substrat isolant.

Il existe une opportunité de créer un produit innovant qui réponde à un réel besoin de l'industrie, mais également des laboratoires de recherche. C'est un élément essentiel qui permettra de faciliter le développement des convertisseurs modulaires pour les réseaux de moyenne tension et de contribuer ainsi à une intégration plus aisée des énergies renouvelables.

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