Maintenir une fréquence stable du réseau est plus important que jamais, et la demande d’appareils de stockage d’énergie est en croissance. Un élément crucial d’un système de stockage d’énergie efficace est le système de conversion d’énergie, qui agit comme une interface entre les batteries à courant continu et le réseau électrique. Cet article aborde une technologie spécialement conçue pour une utilisation dans des systèmes haute puissance.
Ce article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec les Systèmes Énergétiques Bodo.
Dans les systèmes modernes de réseau électrique, maintenir une fréquence stable est plus crucial que jamais en raison de nouveaux défis, tels que la transition vers les énergies renouvelables. Cela est largement dû à la quantité significative d’énergie consommée dans le monde actuel et aux objectifs gouvernementaux visant à réduire les émissions de carbone. Par conséquent, la demande pour des dispositifs de stockage d’énergie est en hausse. Un élément clé d’un système de stockage d’énergie efficace (ESS) est le système de conversion d’énergie (PCS). Le PCS agit comme une interface entre les batteries à courant continu (DC) et le réseau électrique.
Un système de conversion d’énergie (Figure 1) est équipé d’un module semi-conducteur de puissance comme son principal composant, qui connecte le système de batteries de stockage d’énergie au réseau électrique pour permettre la conversion bidirectionnelle de l’énergie électrique. En cas de production d’énergie excessive, le PCS charge les batteries. Si le réseau nécessite de l’énergie supplémentaire, le PCS fournit l’énergie stockée. De plus, il fournit de l’énergie d’inertie pour maintenir la fréquence du réseau proche de 50/60 Hz. Cela peut être réalisé grâce à une solution mécanique comme un volant d’inertie, qui stocke l’énergie en faisant tourner une masse avec un moment d’inertie. Ces systèmes de stockage d’énergie sont généralement grands et lourds, mais peuvent libérer une grande quantité d’énergie en peu de temps. De tels systèmes peuvent atteindre jusqu’à 100+ kW, et d’autres unités peuvent être connectées en parallèle si plus de puissance est nécessaire.
Une solution plus moderne est les systèmes de stockage sur batterie, également connus sous le nom de systèmes de stockage d’énergie, avec le PCS comme composant principal pour la conversion d’énergie. Tous types de batteries peuvent être utilisés, mais les batteries au lithium-ion sont préférées en raison de leur densité de puissance plus élevée et de leur durée de vie plus longue par rapport aux batteries au plomb-acide. Étant donné que des mégawatts de puissance sont nécessaires, ces systèmes peuvent être construits à partir de plusieurs unités plus petites ou d’une seule grande. Cet article traite d’un produit spécialement conçu pour une utilisation dans des systèmes haute puissance.
Figure 1. Système de conversion d’énergie. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Une fréquence de réseau stable autour de 50/60 Hz est nécessaire pour le bon fonctionnement de nombreux appareils. Cela est particulièrement vrai pour les appareils plus anciens qui génèrent leurs fréquences de fonctionnement internes et leurs synchronisations à partir de la fréquence du réseau. Cependant, les appareils modernes utilisent des alimentations de courant continu/courant continu (DC/DC) et génèrent des fréquences à partir d’oscillateurs internes ou reçoivent des signaux de synchronisation provenant de serveurs.
Module Haute Puissance à 3 Niveaux VINcoX
Les modules VINcoX sont spécifiquement conçus pour des applications d’alimentation sans interruption (UPS) et d’ESS variant de 160 kW à 1,4 MW, selon les conditions d’exploitation. Ils sont optimisés pour un fonctionnement bidirectionnel, constituant essentiellement une plateforme composée de jusqu’à trois modules de puissance connectés par un PCB haute puissance. Tous les potentiels principaux sont partagés sur le PCB, ce qui permet de diminuer l’inductance parasite.
Figure 2. Module de puissance VINcoX12. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Deux topologies sont disponibles : une topologie T à 3 niveaux avec des composants de 1200 V et 650 V pour des systèmes de 1000 V, qui peuvent être fournis avec des condensateurs snubber en option, et une type I avec des composants de 1200 V pour des liaisons DC dépassant 1500 V. Les fréquences de commutation sont relativement basses dans cette plage de puissance, donc des semi-conducteurs avec une faible perte de conduction sont utilisés—dans ce cas, le Mitsubishi M7. Avec une faible VCEsat, il offre une capacité H3TRB supérieure.
Une Configuration Symétrique
Un défi des modules de puissance plus importants est que de nombreux semi-conducteurs doivent être commutés en parallèle. Tous les appareils doivent commuter simultanément pour obtenir un bon partage de courant. De longues connexions à l’intérieur du module de puissance pourraient entraîner des délais de mise sous tension et de coupure, provoquant des charges inégales sur les puces. Par conséquent, chacun des trois segments dispose de ses propres connexions gate-émetteur. De plus, chaque boucle de commutation sur le DCB a ses propres connexions. Le PCB de commande, qui peut être pressé ou soudé aux broches press-fit, doit gérer ces signaux. Des conseils de conception et des recommandations de disposition sont fournis dans la documentation de la carte de commande d’évaluation.
Figure 3. Forme d’onde de coupure d’un module de 1800 A @ IC = 3200 A à température ambiante. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
La forme d’onde de coupure de la Figure 3 est mesurée avec le plus grand module VINcoX12 disponible, avec un courant nominal de puce de 1800 A (modèle 70-W624NIA1K8M701-LD00FP70). Ce module dispose de 100 % de composants au niveau nominal dans toutes les positions, ce qui en fait un choix idéal pour une opération 4Q. Comme indiqué, le module présente une inductance parasite très faible et peut être commuté de manière assez agressive avec une résistance de gate de 0,5 Ω, ce qui entraîne un pic de surtension de seulement 41 %, ce qui représente environ 990 V pour un semi-conducteur de 1200 V.
Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Fiabilité
La fiabilité est cruciale pour de nombreuses applications, donc ce module ne utilise pas une seule grande plaque de base en cuivre mais a plutôt deux plaques de base par segment (Figure 4). Cette conception signifie qu’un module VINcoX12 se compose de six plaques de base. Celles-ci sont découplées les unes des autres, ce qui entraîne une expansion thermique absolue moindre par rapport à une seule plaque de base, réduisant ainsi le stress mécanique sur le matériau de l’interface thermique.
Pour de nombreuses applications, la fiabilité thermique est d’un intérêt particulier. Les changements de charge lourde mettent à l’épreuve les connexions puce/fils de liaison et le matériau de soudure entre la puce et le DCB. De plus, une exploitation à de fortes charges et à des températures de puce élevées peut dégrader le matériau de soudure de la puce s’il devient trop chaud. Le nouveau matériau de soudure avancé contribue aux deux, ce qui se traduit par une durée de vie significativement prolongée. Il améliore la capacité de cyclage de puissance d’un facteur presque deux et la capacité de polarisation directe à haute température jusqu’à neuf fois.
Figure 4. Capacité des PCs et dos du VINcoX12. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Inertie pour le Stockage d’Énergie
Les modules VINcoX sont spécialement conçus pour des applications haute puissance à 3 niveaux, principalement pour des systèmes de stockage d’énergie afin de fournir de l’énergie d’inertie. Avec 100% de composants nominalisés dans toutes les positions, ils sont idéaux pour des applications nécessitant un fonctionnement bidirectionnel. La flexibilité d’ajouter jusqu’à trois segments permet de couvrir les évaluations de courant de puce entre 400 A et 2400 A. Des topologies T et I sont disponibles pour des systèmes de 1000 V et 1500 V. La capacité de blocage de la topologie type I avec des composants de 1200 V permet des tensions de liaison DC encore plus élevées. Une grande fiabilité et une longue durée de vie sont atteintes en utilisant deux plaques de base séparées par segment et un matériau de soudure avancé pour une capacité de cyclage de puissance supérieure et une capacité de polarisation directe à haute tension. En option, les modules peuvent être livrés avec un matériau à changement de phase pré-appliqué pour éliminer le processus de pâte thermique dans l’espace de production du client. Dans l’ensemble, la plateforme VINcoX convient à toutes les applications à 3 niveaux allant de 200 kW à 1,5 MW.
Cet article est apparu à l’origine dans Bodo’s Power Systems [] magazine.