Revue sur la topologie et les applications de commande des transformateurs électroniques de puissance moyenne et haute tension II

2 Sélection de la structure globale du PET

Les topologies des convertisseurs PET sont très variées. Selon le nombre d'étages de conversion d'énergie, on distingue les convertisseurs à un, deux et trois étages [7]. Les structures à deux étages comprennent celles dotées de bus CC haute et basse tension, comme illustré sur la figure 1.

Dans les PET à un seul étage (Fig. 1(a)), une fréquence moyenne/élevée Transformateur d'isolement Il relie des convertisseurs AC/AC de part et d'autre. Le convertisseur AC/AC primaire module la tension alternative d'entrée à la fréquence du réseau en une tension alternative haute fréquence, laquelle est couplée par le transformateur puis reconvertie en tension alternative à la fréquence du réseau par le convertisseur AC/AC secondaire. Les convertisseurs PET monophasés présentent moins d'étages de conversion et de composants, un rendement élevé et une forte densité de puissance. Cependant, l'absence de bus DC les rend inadaptés aux réseaux hybrides AC/DC, et la commande du découplage de puissance est complexe.

Les transformateurs d'isolement à deux étages (PET) comportent un bus CC côté haute ou basse tension. La topologie d'un côté du transformateur d'isolement est similaire à celle d'un PET à un seul étage, tandis que l'autre côté est connecté au bus CC via des circuits AC/DC ou DC/AC (Fig. 1(c) et Fig. 1(d)). Grâce à leurs liaisons CC haute ou basse tension, les PET à deux étages peuvent se connecter aux réseaux CC moyenne/haute tension côté haute tension ou aux systèmes photovoltaïques/de stockage côté basse tension. Cependant, la puissance active transférée par les convertisseurs de part et d'autre du transformateur d'isolement est très sensible aux paramètres d'inductance de fuite du transformateur. De plus, le condensateur du bus CC subit d'importantes fluctuations de tension à double fréquence, et les fluctuations de courant des convertisseurs sont importantes [7], ce qui rend la commande complexe.

Les convertisseurs PET à trois étages (Fig. 1(b)) possèdent des bus CC côté haute et basse tension. Le courant alternatif d'entrée, à la fréquence du réseau, est redressé sur un bus CC haute tension par conversion CA/CC, modulé en signaux carrés haute fréquence, couplé au côté basse tension via un transformateur moyenne/haute fréquence, redressé sur un bus CC basse tension, puis converti en tension alternative à la fréquence du réseau par conversion CC/CA. Les convertisseurs PET à trois étages peuvent être connectés à des systèmes CC haute et basse tension. La commande de chaque étage de conversion est relativement indépendante, facilitant le découplage et la compensation. Cependant, la présence de plusieurs étages de conversion engendre la structure la plus complexe. Grâce à cette conception multi-étages, les topologies PET à trois étages permettent plus facilement la mise en cascade côté haute tension et la mise en parallèle côté basse tension, répondant ainsi aux besoins des applications moyenne/haute tension. De ce fait, les topologies à trois étages sont les plus utilisées dans la recherche et les applications des convertisseurs PET moyenne/haute tension.

Pour les transformateurs d'alimentation (PET) destinés aux applications moyenne/haute tension, le côté basse tension présente de faibles niveaux de tension avec des contraintes minimales sur la tension des composants. En revanche, l'étage de redressement haute tension et l'étage d'isolation intermédiaire sont soumis à des niveaux de tension élevés, imposant des exigences plus strictes sur les topologies de circuits et les composants. Les recherches actuelles se concentrent sur deux axes : ① Nouvelles topologies et méthodes de commande pour les PET moyenne/haute tension, basées sur les tensions nominales des composants existants ; ② Topologies et commandes de PET utilisant de nouveaux composants haute tension, tels que les composants SiC 10 kV [8, 9]. Cependant, les composants SiC haute tension sont encore au stade de la recherche et du développement en laboratoire, et les composants commerciaux ne répondent pas encore aux exigences de tension. Par conséquent, des topologies multimodules en cascade ou monomodules multiniveaux sont utilisées pour satisfaire aux exigences de tension d'entrée élevées. Les topologies typiques sont présentées sur la figure 2 et analysées dans la section 3.