WO2023083761A1

WO2023083761A1 - Booster de courant de court-circuit dc

Info

Publication number: WO2023083761A1
Application number: PCT/EP2022/081014
Authority: WO
Inventors: Djamel HADBI; Frédéric REYMOND LARUINA; Philippe EGROT
Original assignee: Electricite de France SA; Enedis SA
Current assignee: Electricite de France SA; Enedis SA
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: EP4430715A1; FR3129253B1; FR3129253A1

Abstract

L'invention porte sur un dispositif comportant : - un élément de stockage d'énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC associée, - un chargeur configuré pour charger l'élément de stockage lorsque l'élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à une tension DC supérieure à la tension de fonctionnement DC associée à l'élément de stockage, et - un ensemble de diodes défini par une valeur de tension seuil associée, l'ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l'élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l'élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l'ensemble de diodes.

Description

Titre : Booster de courant de court-circuit DC

Domaine technique

[0001] La présente divulgation relève du domaine des réseaux de distribution publics basse tension, en particulier la partie en courant continu (LVDC) et des usages LVDC. La présente divulgation porte en particulier sur un dispositif apte à renforcer la protection électrique de tels réseaux et sur un système comprenant un tel dispositif.

Technique antérieure

[0002] L’intérêt pour les réseaux à courant continu augmente ces dernières années, en particulier dans les réseaux basse tension (BT) compte tenu du développement de récepteurs BT natifs en courant continu que ce soit dans la catégorie des producteurs (PV), des consommateurs (datacenter, véhicule électrique) voire d’autres usages (stockage stationnaire, micro-réseau, autoconsommation). Les principaux bénéfices de cette technologie étant une meilleure efficacité énergétique et un gain certain dans le Capex des câbles.

[0003] Pour se raccorder à un réseau à courant continu, il est cependant nécessaire de recourir à des convertisseurs de puissance à base d’interrupteurs semiconducteurs. Se pose alors la problématique de la protection de ces matériels face aux défauts qui pourraient survenir sur le réseau.

[0004] La figure 1 représente schématiquement un circuit d’un convertisseur AC/DC (1 ) raccordé d’une part à un réseau AC (2) et d’autre part à un départ DC (3) qu’il alimente. Le départ DC comporte, au moins, des condensateurs de liaison de courant continu (4) intégrés au convertisseur AC/DC, des fusibles DC (5) à des fins de protection en cas de défaut électrique, un câble (6) qui peut être modélisé par une impédance fonction de la longueur du câble, et un appareil à alimenter électriquement (7), qui peut lui aussi être modélisé par une charge résistive.

[0005] Les fusibles relèvent d’une technologie mature et éprouvée, peu chère et relativement simple. Par rapport à un réseau AC dont les matériels électrotechniques conventionnels (transformateur, inductances, etc) peuvent supporter un courant important pendant une durée compatible avec le temps de réaction des protections de type fusible ou disjoncteur (10 ms), les réseaux DC souffrent de plusieurs points faibles.

[0006] Un premier point faible est que le courant de défaut ne passe pas par le zéro, rendant difficile une coupure par un disjoncteur.

[0007] Un deuxième point faible est la dynamique très rapide de l’accroissement du courant de défaut (di/dit), plus sévère que dans les défauts AC.

[0008] Un troisième point faible est que la capacité de surcharge et la tenue thermique des interrupteurs semi-conducteurs est plus faible que celles des matériels électrotechniques (1.2 pu).

[0009] En se référant au circuit DC représenté sur la figure 1 et en y supposant l’apparition d’un défaut électrique au niveau du câble (6), la figure 2 montre une comparaison entre, d’une part, le temps de fusion de fusibles protégeant un départ 40 kW sous 750 V DC (c’est-à-dire avec un courant nominal égal 53 A) et, d’autre part, le temps de destruction des interrupteurs semiconducteurs, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et un point de référence assimilé à la position du convertisseur AC/DC.

[0010] Plus spécifiquement, les courbes représentées sur la figure 2 correspondent aux temps de fusion ou destruction :

- d’un fusible DC 63A (10),

- d’un fusible DC 80A (1 1 ),

- d’un fusible 80A de classe gR (12),

- d’un fusible 80A de classe aR (13),

- d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à deux niveaux de type VSC2L (14), et

- d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à trois niveaux de type NPC3L (15).

[0011] Pour répondre à cette problématique, deux stratégies standard peuvent être suivies, éventuellement combinées. [0012] L’une est de développer un moyen de protection électronique suffisamment rapide pour interrompre le courant de défaut avant qu’il n’engendre des dégâts sur les convertisseurs. En l’occurrence, le délai requis est inférieur à 1 ms.

[0013] L’un des moyens de protection connus est le disjoncteur électronique. Un tel dispositif est formé en associant en série un nombre suffisamment élevé d’interrupteurs semiconducteurs dimensionnés pour bloquer le courant de défaut à une échelle de temps de l’ordre de la commutation (10 ps). La figure 4 montre un exemple d’un tel disjoncteur électronique, comprenant deux transistors bipolaires à grille isolée ou IGBT (30, 31 ), un élément de commande de grille (32) et un limiteur de surtension (33). Le chemin du courant en cas de défaut dans un disjoncteur électronique est représenté sur la figure 4. Cette technologie souffre de plusieurs inconvénients à commencer par les pertes en régime permanent dans les semi-conducteurs et le coût élevé. Des améliorations ont été introduites sur la topologie de base des disjoncteurs électroniques en associant, en parallèle des interrupteurs semi-conducteurs (30, 31 ), une partie purement électrotechnique (34), c’est-à-dire un interrupteur ultra rapide associé à un parafoudre. Une conséquence est de permettre un fonctionnement en régime nominal qui contourne les interrupteurs semi-conducteurs, comme représenté sur la figure 5. Cependant, la réponse en phase de défaut, représentée sur la figure 6, est alors ralentie, atteignant environ 5 ms (cf. nplcitl ).

[0014] L’autre stratégie standard est de surdimensionner les convertisseurs de puissance pour leur conférer une capacité de surcharge et une tenue thermique suffisamment élevée le temps que des protections classiquement utilisées dans les réseaux AC ne réagissent, c’est-à-dire après un intervalle de temps de l’ordre de 10 ms. Des travaux ont été menés pour comparer les temps de réponse des fusibles DC les plus rapides et le temps de destruction des interrupteurs semi- conducteurs soumis à un défaut DC, avec un surdimensionnement de 100% des interrupteurs semiconducteurs par rapport à la puissance que le convertisseur est censé délivrer en régime nominal. Les résultats de ces travaux sont représentés sous forme synthétique sur la figure 7.

[0015] Plus spécifiquement, les courbes représentées sur la figure 7 correspondent aux temps de fusion ou destruction : - d’un fusible DC 63A (40),

- d’un fusible DC 80A (41 ),

- d’un fusible 80A de classe gR (42),

- d’un fusible 80A de classe aR (43),

- d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à deux niveaux de type VSC2L (44), et

- d’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur à trois niveaux de type NPC3L (45).

[0016] Ces résultats montrent qu’un surdimensionnement de 100% des interrupteurs semiconducteurs par rapport à la puissance que le convertisseur est censé délivrer en régime nominal suffit à peine à garantir une réponse suffisamment rapide des fusibles. Par ailleurs, une conséquence d’un tel surdimensionnement est une augmentation non négligeable du coût des convertisseurs.

[0017] Par ailleurs, l’utilisation de l’énergie électrostatique emmagasinée dans les condensateurs des convertisseurs de puissance pour l’élimination de défauts grâce à des fusibles est bien documentée dans la bibliographie. Cependant, avec le développement de convertisseurs commutant à des fréquences élevées, un gain substantiel dans le dimensionnement des condensateurs a été réalisé au détriment de la réserve d’énergie permettant une protection par fusibles efficace et sélective (cf. nplcit2). Utiliser l’énergie électrostatique emmagasinée dans les condensateurs des convertisseurs de puissance pour déclencher des protections de type fusible est donc certes bénéfique, mais limité notamment en raison des contraintes de surdimensionnement sur les condensateurs des convertisseurs de puissance (cf. nplcit3), ce qui présente là encore un coût non négligeable.

Résumé

[0018] La présente divulgation vient améliorer la situation.

[0019] Il est proposé un dispositif apte à être inséré dans un circuit DC ayant une tension nominale, le dispositif comportant :

- un élément de stockage d’énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC inférieure à la tension nominale, - un chargeur configuré pour charger l’élément de stockage lorsque l’élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à la tension DC nominale, et

- un ensemble de diodes défini par une valeur de tension seuil associée, l’ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l’élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes.

[0020]Si l’on considère un régime nominal stationnaire, dans lequel le dispositif est soumis à une tension DC nominale entretenue aux bornes d’un convertisseur AC/DC ou DC/DC et dans lequel l’élément de stockage d’énergie électrique est préalablement chargé, alors le dispositif se comporte dans son ensemble comme un simple conducteur électrique, l’ensemble de diodes étant bloqué.

[0021] Dans une telle configuration, dès lors qu’un défaut électrique survient en aval du dispositif, sur une portion de circuit à courant continu à protéger, alors ce défaut électrique occasionne une chute de tension. Dès lors que le dispositif est soumis à une tension DC suffisamment inférieure à la tension nominale, alors l’ensemble de diodes bascule en régime passant. L’élément de stockage d’énergie électrique se décharge alors et entretient à ses bornes une tension égale à sa tension de fonctionnement (c’est-à-dire inférieure à la tension nominale). Une conséquence est que le dispositif fournit un supplément de courant de court-circuit qui peut contribuer à accélérer la fusion d’un fusible situé dans la portion de circuit à courant continu à protéger. Ainsi, il est possible d’assurer que la fusion d’un tel fusible survienne avant la fusion d’un composant critique d’un matériel coûteux tel qu’un interrupteur semi-conducteur au sein d’un convertisseur AC/DC ou DC/DC alimentant le circuit à courant continu.

[0022]Après disparition du défaut électrique et rétablissement de la tension DC nominale, un régime transitoire s’établit automatiquement au sein du dispositif : l’ensemble de diodes est bloqué et le chargeur recharge l’élément de stockage. Une fois l’élément de stockage chargé, le dispositif retrouve son fonctionnement en régime nominal stationnaire. [0023]0n sait qu’une chute de tension peut également trouver sa source dans une surcharge électrique ne résultant pas d’un courant-circuit mais plutôt d’une demande importante. Une telle chute de tension peut elle aussi déclencher la bascule de l’ensemble de diodes en régime passant, la décharge de l’élément de stockage et, par suite, la fusion d’un fusible sur la portion de circuit à protéger.

[0024] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre. Elles peuvent être mises en oeuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

[0025] L’élément de stockage peut être un condensateur ou un supercondensateur, avec pour avantage un temps de réponse particulièrement court, compatible avec les exigences liées à la prévention de la destruction d’interrupteurs semi- conducteurs au sein d’un convertisseur alimentant le dispositif.

[0026] Par ailleurs, les supercondensateurs présentent l’avantage d’un vieillissement calendaire réduit par rapport à d’autres types d’éléments de stockage, d’où une durée de vie accrue. Ceci est vrai en particulier car, au sein du dispositif, l’élément de stockage est davantage soumis au vieillissement calendaire plutôt qu’au vieillissement par cyclage.

[0027] L’élément de stockage peut alternativement être une batterie.

[0028] Le chargeur peut être du type d’un hacheur abaisseur, ou peut, alternativement, comprendre un élément résistif et un interrupteur semi- conducteur commandant la charge du condensateur à travers l’élément résistif.

[0029] L’ensemble de diodes peut être formé d’une pluralité de diodes montées en série.

[0030]0ptionnellement, le dispositif peut comprendre une pluralité de sectionneurs agencés de manière à isoler électriquement l’élément de stockage lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte.

[0031]Optionnellement, le dispositif peut comprendre une pluralité de sectionneurs agencés de manière à isoler électriquement le dispositif lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte. [0032]Ces sectionneurs permettent, en isolant électriquement les sources potentielles de courant traversant une ou plusieurs branches au sein du dispositif, à un opérateur de se protéger en amont d’opérations de maintenance sur le dispositif ou sur un circuit dans lequel le dispositif est installé.

[0033]Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un système comprenant :

- un convertisseur interfaçant un premier circuit et un deuxième circuit DC,

- au moins un ensemble dispositif-fusible agencé au sein du deuxième circuit, l’ensemble étant formé du dispositif ci-avant et d’au moins un fusible défini par un calibre de fusible,

- le dispositif étant agencé de manière à, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, décharger l’élément de stockage et ainsi fournir au fusible un premier supplément de courant de court-circuit, et

- le convertisseur comprenant au moins un condensateur configuré pour, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, fournir au fusible un deuxième supplément de courant de court-circuit, et

- le calibre du fusible étant choisi pour occasionner, en cas de court-circuit dans le deuxième circuit, une rupture du fusible sous l’effet combiné d’un courant de court- circuit induit par le court-circuit, du premier supplément et du deuxième supplément avant que le convertisseur ne soit endommagé.

[0034] Les expressions « premier circuit >> et « deuxième circuit >> renvoient aux réseaux interfacés par le convertisseur. Le « premier circuit >> désigne ainsi le réseau en amont du convertisseur, qui est indifféremment en courant alternatif (AC) ou en courant continu (DC). La figure 1 représente par exemple, à cet effet, un réseau AC en amont d’un tel convertisseur. Le « deuxième circuit >> désigne le réseau en aval du convertisseur qui, dans le contexte de l’invention, est en courant continu (DC).

[0035] Le système peut optionnellement comprendre une pluralité d’ensembles dispositif-fusible, lesdits ensembles différant au niveau d’au moins un paramètre choisi dans la liste suivante :

- le calibre du fusible,

- la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage du dispositif, et

- la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes du dispositif.

[0036] Ainsi, en fonction de la localisation d’un défaut électrique au sein du circuit DC, il est possible de sélectionner un ensemble dispositif-fusible se déclenchant en premier, dans le sens où un tel déclenchement consiste en la fourniture du premier supplément de court-circuit par le dispositif de l’ensemble sélectionné, occasionnant la fusion d’un fusible de l’ensemble sélectionné.

Brève description des dessins

[0037] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

[0038][Fig. 1 ] est un schéma d’un circuit d’un convertisseur AC/DC alimentant un départ DC protégé par des fusibles DC.

Fig. 2

[0039] [Fig. 2] compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la figure 1 , les temps de fusion de fusibles 63 A à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur.

Fig. 3

[0040] [Fig. 3] représente un diagramme de Ragone de différents types d’éléments de stockage d’énergie électrique.

Fig. 4

[0041 ][Fig. 4] est un schéma d’un disjoncteur électronique basique, sur lequel est représenté le chemin du courant en cas de défaut électrique.

Fig. 5

[0042] [Fig. 5] est un schéma d’un disjoncteur électronique plus évolué, sur lequel est représenté le chemin du courant en régime nominal. Fig. 6

[0043] [Fig. 6] est un schéma du disjoncteur électronique illustré sur la figure 5, sur lequel est également représenté le chemin du courant en cas de défaut électrique.

Fig. 7

[0044] [Fig. 7] compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la figure 1 , les temps de fusion de différents types de fusibles à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC surdimensionnés de 100%, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur.

Fig. 8

[0045][Fig. 8] représente un dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, pouvant être raccordé à un réseau à courant continu en parallèle.

Fig. 9

[0046] [Fig. 9] représente un dispositif selon un exemple alternatif de réalisation de l’invention.

Fig. 10

[0047][Fig. 10] représente le comportement du dispositif de la figure 8 lorsqu’il est soumis à un régime nominal de fonctionnement, c’est-à-dire à une absence de défaut électrique dans une portion aval, à protéger, d’un circuit DC.

Fig. 11

[0048][Fig. 11 ] représente le comportement du dispositif de la figure 8 lorsqu’il est soumis à un régime de défaut, c’est-à-dire en présence d’un défaut électrique dans une portion aval, à protéger, d’un circuit DC.

Fig. 12

[0049][Fig. 12] représente le comportement du dispositif de la figure 8 ayant préalablement été soumis à un régime de défaut, après disparition du défaut.

Fig. 13 [0050][Fig. 13] est un schéma d’un circuit d’un convertisseur AC/DC alimentant un départ DC protégé par des fusibles DC, le circuit étant équipé d’une pluralité de dispositifs selon un exemple de réalisation.

Fig. 14

[0051 ][Fig. 14] compare, dans le contexte d’un défaut électrique survenant au sein d’un circuit DC tel que représenté sur la figure 8, les temps de fusion de différents types de fusibles à ceux d’interrupteurs semi-conducteurs présents dans des convertisseurs AC/DC surdimensionnés de 100%, en fonction de la distance entre la position du défaut électrique et celle du convertisseur.

Fig. 15

[0052][Fig. 15] représente une variante du dispositif de la figure 8, adaptée pour faciliter des opérations de maintenance.

Fig. 16

[0053][Fig. 16] représente une variante du dispositif de la figure 9, adaptée pour pour faciliter des opérations de maintenance.

Description des modes de réalisation

[0054] Il est fait référence à la figure 8 qui représente un exemple de dispositif (50) selon l’invention. Un tel dispositif est adapté pour être raccordé à un réseau à courant continu (DC) en parallèle.

[0055] La figure 8 met en valeur, à titre d’illustration, un exemple d’un tel réseau à courant continu en parallèle. Sont représentés :

- un convertisseur AC/DC ou DC/DC (1 ) alimentant un bus DC,

- un premier exemple de dispositif selon l’invention (50), positionné sur le bus DC en tête de ligne,

- un deuxième exemple de dispositif selon l’invention (60), positionné en aval du premier dispositif (50),

- une pluralité de fusibles (5), agencés de manière à former, respectivement, avec l’un des dispositifs (50, 60) ci-avant, un ensemble dispositif-fusible,

- un câble (6) représenté comme une charge résistive, et - en bout de ligne, un appareil (7) ou groupe d’appareils à alimenter électriquement, représenté sous la forme d’une charge résistive.

[0056] Le premier ensemble dispositif-fusible comprend le premier exemple de dispositif (50) associé à au moins un fusible (5), un tel premier ensemble étant chargé de la protection de la portion aval du circuit DC notée N, c’est-à-dire de la portion située davantage en bout de ligne que ne l’est l’ensemble dispositif-fusible (50) en question. Le deuxième ensemble dispositif-fusible, comprend le deuxième exemple de dispositif (60) associé à au moins un fusible (5), un tel deuxième ensemble étant chargé de la protection de la portion aval du circuit DC notée N+1 , c’est-à-dire de la portion située davantage en bout de ligne que ne l’est l’ensemble dispositif-fusible (50) en question.

[0057] Le dispositif de la figure 8 comprend un élément de stockage d’énergie électrique (52), par exemple un condensateur, un supercondensateur ou une batterie, fonctionnant sous une tension DC, notée O VDC, inférieure à la tension nominale du réseau DC, notée VDC. En d’autres termes, le coefficient a a une valeur fixée positive et strictement inférieure à 1. La tension du réseau DC n’est pas rigoureusement fixe mais est au contraire susceptible de varier au fil du temps, par exemple de 5% ou 10% autour de la valeur nominale. Pour éviter que de telles variations, habituelles, de tension DC n’occasionnent un déclenchement du dispositif, le coefficient a peut être fixé par exemple à une valeur inférieure à 0,9, ou inférieure à 0,85.

[0058]0n peut également définir un coefficient noté y correspondant à l’état de charge de l’élément de stockage d’énergie. Le coefficient y est égal à 1 (ou 100%) lorsque l’élément de stockage est totalement chargé, et égal à 0 (ou 0%) lorsque l’élément de stockage est totalement déchargé. Ainsi, de manière générale, V stockage est égal à y a-Voc.

[0059] Pour choisir l’élément de stockage le plus approprié pour minimiser le temps de réponse du dispositif, il est possible de se référer par exemple à la figure 3, qui est un diagramme comparant, pour les différents types d’éléments de stockage d’énergie électrique que sont les supercondensateurs (20), les condensateurs LiC (21 ) et les batteries lithium-ion (22), le rapport entre leur densité de puissance maximale et leur densité d’énergie. Les technologies à base de condensateurs et de supercondensateurs sont ici privilégiées d’après la figure 3 car présentant la réponse la plus rapide.

[0060] Le dispositif de la figure 8 comprend également un chargeur du type d’un hacheur buck (51 ), également appelé abaisseur, agencé de manière à pouvoir charger l’élément de stockage (52). Ce convertisseur ne fonctionne que lorsque l’élément de stockage a précédemment été déchargé à la suite d’un défaut électrique : le convertisseur vient alors recharger l’élément de stockage. Le hacheur buck (51 ) peut être remplacé par un chargeur résistif (56) commandé par un interrupteur semi-conducteur (55) (thyristor ou transistor), comme montré sur la figure 9.

[0061 ] Enfin, le dispositif de la figure 8 comprend également une ou plusieurs diodes (54), formant un « ensemble de diodes >> (53). Une diode peut être définie par sa tension de seuil en-deçà de laquelle elle est bloquée et au-delà de laquelle elle devient passante. L’ensemble de diodes a de ce fait une valeur de tension seuil qui peut être déterminée à partir des tensions de seuil des diodes qui le forment.

[0062] Dans l’exemple de dispositif de la figure 8, l’ensemble de diodes (53) est formé de KN diodes identiques agencées en série. Un tel ensemble de diodes (53) a une valeur de tension seuil égale à la somme des tensions de seuil des diodes qui le forment, c’est-à-dire à KN fois la tension de seuil Vs d’une seule diode. L’ensemble de diodes (53) permet la décharge de l’élément de stockage (52) si la différence de potentiel entre le bus et l’élément de stockage dépasse la valeur de tension seuil.

[0063] En fonctionnement nominal, le dispositif de la figure 8 est en stand-by, comme montré sur la figure 10.

< o : tes diodes sont bloquées

L’élément de stockage chargé se trouve à une tension V stockage standby égale à sa tension de fonctionnement O VDC, donc inférieure à la tension VDC du réseau DC. Le chargeur ne conduit aucun courant, c’est-à-dire que l’intensité \chargeur en sortie du chargeur est égale à zéro. Les diodes de l’ensemble de diodes se trouvent en polarisation inverse, la tension diodes aux bornes de l’ensemble de diodes étant inférieure à zéro, donc nécessairement inférieure à la valeur (strictement positive) de tension seuil.

[0064] Lorsqu’un défaut survient, la tension du bus continu chute, prenant une valeur Vcc inférieure à la tension nominale VDC, ce qui déclenche une activation du dispositif, comme montré sur la figure 11 .

[0065] En effet, si la différence entre la tension V stockage de l’élément de stockage et la tension Vcc du bus dépasse la valeur seuil de tension de l’ensemble de diodes, alors les diodes deviennent conductrices. L’élément de stockage se décharge, ce qui apporte un supplément de courant de court-circuit, noté Ice boost, accélérant la fusion d’un fusible positionné en aval et procurant ainsi une protection plus rapide du réseau.

deviennent conductrices

fcc boost

Une fois le défaut éliminé, la charge de l’élément de stockage est régénérée grâce au chargeur comme indiqué sur la figure 12.

[0066] En effet, dès lors que la tension du bus est égale à la tension nominale VDC du circuit DC, alors l’ensemble de diodes est bloqué. Le courant de charge \chargeur en sortie du chargeur a par ailleurs une valeur positive tant que l’élément de stockage est au moins partiellement déchargé, c’est-à-dire tant que le coefficient y est inférieur à 1 .

les diodes redeviennent bloquées fcarjtur ~~ ^DC tôt fcc

A la fin de cette phase, l’élément de stockage retrouve sa charge initiale, soit y = 1 , et une tension égale à sa tension ^stockage standby de fonctionnement en fonctionnement nominal. Le courant de charge \chargeur s’annule. La situation est alors identique à celle représentée sur la figure 10.

< o : les diodes sont bloquées

[0067] Il est à présent fait référence à la figure 13 qui représente un système comprenant plusieurs exemples de dispositifs selon l’invention.

[0068] Un convertisseur AC/DC ou DC/DC alimente un départ DC auquel est relié une charge DC. Entre l’alimentation et la charge, plusieurs ensembles dispositif- fusible sont agencés. Chaque ensemble dispositif-fusible comprend un exemple de dispositif selon l’invention, associé à un fusible.

[0069] La figure 13 fait apparaître à titre d’illustration deux ensembles dispositif- fusible :

- un premier dispositif noté (N) associé à un premier fusible est chargé de la protection d’une portion N du circuit DC,

- un deuxième dispositif noté (N+1 ) associé à un deuxième fusible est chargé de la protection d’une sous-portion N+1 de la portion N.

[0070]Ces deux ensembles dispositif-fusible peuvent être structurellement différents de sorte que, lorsqu’un défaut électrique survient dans la sous-portion N+1 , l’ensemble dispositif-fusible chargé de la protection de la sous-portion N+1 se déclenche automatiquement avant celui chargé de la protection de la sous-portion N.

[0071] Pour ce faire, il est possible d’influer sur différents paramètres. Ainsi, les ensembles dispositif-fusible peuvent différer :

- par le calibre du fusible,

- par la tension de fonctionnement de l’élément de stockage d’énergie, et/ou

- par la valeur de tension seuil de l’ensemble de diodes.

[0072] Il est intéressant de prévoir que les ensemble dispositif-fusible ne diffèrent les uns des autres qu’au niveau d’un seul des paramètres précités.

[0073] Par exemple, dans la perspective d’une production à l’échelle industrielle, une même base générique telle que le dispositif démuni de diodes peut être complétée, au choix, par différentes versions de l’ensemble de diodes, respectivement constituées d’un nombre différent de diodes en série. Ceci permet de pouvoir proposer différentes versions du dispositif, respectivement adaptées à différents besoins, à partir d’une seule même base générique.

[0074] Un défaut comme représenté sur la figure 13 entraîne une chute de tension plus brutale au niveau du dispositif protégeant la sous-portion N+1 qu’au niveau du dispositif protégeant la portion N en raison de l’impédance du câble ou de la ligne les reliant. Si on veut retarder la réaction du dispositif protégeant la portion N par rapport à celle du dispositif protégeant la sous-portion N+1 , on peut choisir la tension de fonctionnement de l’élément de stockage du dispositif protégeant la portion N de telle sorte qu’elle soit inférieure à la tension de fonctionnement de l’élément de stockage du dispositif protégeant la sous-portion N+1 .

[0075] En considérant par exemple que les ensembles de diodes sont chacun formé de diodes en série, il est également possible de jouer sur le nombre de diodes en série dans chacun des dispositifs afin d’en moduler la valeur de tension seuil pour déclencher l’un des dispositifs avant l’autre. Sachant que la tension de seuil d’une diode est de l’ordre de 1 .4 V et que la différence de tension suite à un défaut dans deux points du réseau DC est faible (quelques V), en mettant un nombre réduit de diodes dans les dispositifs en bout de ligne par rapport aux dispositifs en tête de ligne, la tension de seuil équivalent des diodes est plus faible en bout de ligne. Par conséquent, les dispositifs en bout de ligne s’amorcent avant.

[0076] La figure 14 montre les résultats de quelques simulations. Les courbes montrent les temps de fusion respectifs des interrupteurs semi-conducteurs du convertisseur (70), d’un fusible DC 63 A (71 ) et d’un fusible DC 80 A (72) en cas d’un défaut DC selon sa localisation sur un départ équipé d’un exemple de dispositif proposé. Dans cet exemple, la localisation la plus critique du défaut se situe à 10 m du convertisseur et l’élément de stockage a été dimensionné pour garantir une marge de sécurité minimal de 2 ms entre les temps de fusion des fusibles et celui du convertisseur. [0077]Comme illustré sur les figures 15 et 16, tous les exemples de dispositifs précédemment décrits peuvent être équipés de sectionneurs (57, 58, 59). Ces derniers visent à permettre l’isolation électrique du dispositif vis à vis d’un circuit DC dans lequel il est installé, et visent en outre, au sein même du dispositif, à isoler électriquement l’élément de stockage d’énergie électrique (52) pour en éviter une décharge intempestive.

[0078]L’actionnement préalable de ces sectionneurs permet à un opérateur de se protéger lors d’une intervention sur le dispositif lui-même ou plus généralement sur le circuit DC relié au dispositif, par exemple lors d’une opération de maintenance.

[0079] Plus spécifiquement, sur les figures 15 et 16 :

- deux sectionneurs (58, 59) sont agencés de manière à isoler électriquement l’élément de stockage (52) lorsque ces deux sectionneurs sont mis en position ouverte, et

- deux sectionneurs (57, 58) sont agencés de manière à isoler électriquement le dispositif (50) du circuit DC où il est installé lorsque ces deux sectionneurs sont mis en position ouverte.

[0080] Les différents exemples de dispositifs selon l’invention s’adressent principalement aux réseaux de distribution publics basse tension en courant continu (LVDC) et aux usages alimentés en LVDC, notamment aux réseaux industriels, LVDC, aux réseaux embarqués LVDC, aux micro-réseaux, ou aux réseaux autonomes à courant continu.

Littérature non-brevet

[0081 ]À toutes fins utiles, les éléments non-brevets suivants sont cités :

- nplcitl : K. HongJoo and al., "Development of high speed de circuit breaker using IGBT drivers", KEPCO - Republic of Korea, 25th International Conference on Electricity Distribution, Madrid, 3-6 June 2019, Paper n° 1555 ;

- nplcit2 : J. A. Giancaterino, "Dc-dc converter plants and their ability to clear distribution fuses", Proc. INTELEC, pp. 315-320, 1994 ;

- nplcit3 : S. Ravyts, G. V. d. Broeck, L. Hallemans, M. D. Vecchia and J. Driesen, "Fuse-Based Short-Circuit Protection of Converter Controlled Low-Voltage DC Grids", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 11 , pp. 11694-11706,

Nov. 2020.

Claims

Revendications

[Revendication 1] Dispositif (50) apte à être inséré dans un circuit DC ayant une tension nominale, comportant :

- un élément (52) de stockage d’énergie électrique défini par une tension de fonctionnement DC inférieure à la tension nominale,

- un chargeur (51 , 55, 56) configuré pour charger l’élément de stockage lorsque l’élément de stockage est déchargé et le dispositif est soumis à la tension DC nominale, et

- un ensemble de diodes (53) défini par une valeur de tension seuil associée, l’ensemble de diodes étant configuré pour être passant et ainsi décharger l’élément de stockage lorsque ledit élément de stockage est chargé et le dispositif est soumis à une tension DC inférieure à la différence entre la tension de fonctionnement DC associée à l’élément de stockage et la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes.

[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel l’élément de stockage est un condensateur ou un supercondensateur.

[Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel l’élément de stockage est une batterie.

[Revendication 4] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le chargeur est un hacheur abaisseur (51 ).

[Revendication 5] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le chargeur comprend un élément résistif (56) et un interrupteur semi-conducteur (55) commandant l’élément résistif.

[Revendication 6] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de diodes est formé d’une pluralité de diodes (54) montées en série.

[Revendication 7] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité de sectionneurs (58, 59) agencés de manière à isoler électriquement l’élément de stockage lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte.

[Revendication 8] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité de sectionneurs (57, 58) agencés de manière à isoler électriquement le dispositif lorsque les sectionneurs sont mis en position ouverte.

[Revendication 9] Système comprenant :

- un convertisseur (1 ) interfaçant un premier circuit (2) et un deuxième circuit DC (3),

- au moins un ensemble dispositif-fusible agencé au sein du deuxième circuit, l’ensemble étant formé d’un dispositif (50) selon l’une des revendications précédentes et d’un fusible (5) défini par un calibre de fusible,

[Revendication 10] Système selon la revendication précédente, comprenant une pluralité d’ensembles dispositif-fusible, lesdits ensembles différant au niveau d’au moins un paramètre choisi dans la liste suivante :

- le calibre du fusible,

- la valeur de tension seuil associée à l’ensemble de diodes du dispositif.