Du diagnostic au pronostic de l’état de santé des IGBT dans un convertisseur modulaire multiniveaux pour les réseaux HVDC

Condition and Health Monitoring of Modular Multilevel Converter for HVDC grids

• Auteur / Autrice : Diego Alejandro Velazco Navarro
• Direction : Guy Clerc, Emmanuel Boutleux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Fremont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mounira Bouarroudj-Berkani, Huai Wang, Marie-Cécile Péra, Hubert Razik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mounira Bouarroudj-Berkani, Huai Wang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors bipolaires à grille isolée

Convertisseurs multiniveaux

Réseaux électriques (circuits) -- Analyse

Électricité -- Transport

Mots clés libres

Convertisseur modulaire multiniveaux

HVDC

IGBT

Prédiction de la durée de vie

Surveillance de l'état de santé

Fiabilité

Estimation de la température de jonction

Cyclage actif

Modular Multilevel Converter

HVDC

IGBT

Lifetime estimation

Condition monitoring

Reliability

Junction temperature estimation

Active power cycling

Résumé

Les réseaux de transport d’électricité doivent s’adapter pour faire face aux défis de la croissance de la demande d’énergie, de la rapide expansion des moyens de production des énergies renouvelables et de l’éloignement des centres de production et des centres de consommation. Dans ce contexte, la transmission d’énergie en courant continu à très haute tension (HVDC) commence à s’imposer comme la technologie privilégiée pour les applications de forte puissance. Dans les systèmes de transmission HVDC, le convertisseur de puissance joue un rôle majeur. Cet équipement réalise la conversion du courant continu (DC) en courant alternatif (AC), pour pouvoir interfacer le lien HVDC au réseau de puissance existant en AC. Parmi les différents types des technologies des convertisseurs pour les réseaux HVDC les convertisseurs à source de tension (VSC) supplantent peu à peu les convertisseurs à source de courant (LCC) car ils fournissent des fonctionnalités améliorées comme un meilleur encombrement et une meilleure compatibilité avec un futur réseau maillé HVDC. En ce qui concerne les topologies VSC, le convertisseur MMC est aujourd’hui la topologie de référence. Il s’agit d’une structure modulaire, composée principalement de piles de sous-modules (SMs) qui permettent son fonctionnement. Chaque SM est composé en lui-même d’un condensateur et de deux modules IGBT utilisés pour l’insertion ou le bypass du condensateur. Etant donné que le transport d’énergie est une application critique, les systèmes HVDC sont soumis à des normes de fiabilité et de disponibilité très exigeantes et le MMC ne fait pas l’exception. C’est pourquoi ce travail abordera la surveillance de l’état de santé et le pronostic de la durée de vie restante des IGBT présents dans les SMs du convertisseur. Ce travail se focalisera sur les IGBT car ils ont été identifiés comme l’un des composants les plus fragiles dans les convertisseurs de puissance. Une approche par analyse de la physique de la défaillance a été choisie pour mettre au point une méthodologie de pronostic de la vie restante du convertisseur. Cette démarche utilise le profil thermique subi par les semiconducteurs pour calculer la consommation de la durée de vie dans la période évaluée et en déduire la durée de vie restante. Par ailleurs, cette démarche permet de faire des calculs de la fiabilité des SMs en considérant la consommation de la durée de vie et la fonction de fiabilité des éléments qui le composent. En outre, des calculs des niveaux de redondance à installer, pour atteindre aux besoins de disponibilité, sont réalisés grâce à cette méthodologie. Un autre sujet important abordé dans cette recherche est le suivi de la dégradation des modules IGBT. Pour étudier cela, un banc de cyclage actif a été développé. La tension V_(CE(on)) a été choisie comme paramètre de surveillance pour suivre la dégradation du module tout au long des tests de cyclage. Par conséquent, une carte de mesure de cette tension a été développée. Cette carte a permis de développer un moyen pour estimer la température de jonction des IGBT. La technique d’estimation se base sur un filtre de Kalman, dont le réglage est réalisé en utilisant la méthode ALS qui permet d’obtenir le réglage optimal du filtre. Les essais ont aussi permis de tracer l’évolution d’autres paramètres sensibles à la dégradation.

The growing power and energy demand, as well as the integration of new renewable sources into the electrical system and the long distances between electrical consumers and producers are pushing the actual AC grid to evolve. Hence, HVDC has emerged as a promising solution for upgrading the power transmission infrastructure and meet the demanding requirements and future needs of the electrical grid. Moreover, HVDC is nowadays the preferred technology for bulk power transmission and the integration of large-scale renewable sources such as offshore windfarms. One fundamental component of HVDC systems is the converter station. At the ends of an HVDC line, the converter station is responsible for interfacing the DC link with the AC grid. Among the different types of technology for converter stations VSC have gained in relevance in the last few decades, as they provide improved functionalities when compared to the traditional converters employed for HVDC applications. Concerning VSC topologies, the MMC has emerged as the most advantageous topology and the main candidate for future HVDC projects. The MMC is a scalable converter composed mainly of stacks of SMs that allow its operation. Each SM is composed itself by a large storage capacitor and IGBT modules used for the insertion or the bypass of the capacitor. As power transmission is a critical application, HVDC systems are subjected to very demanding reliability and availability requirements and the MMC is not the exception. This thesis addresses the condition monitoring and the prognosis of the remaining useful life of IGBT modules in a HVDC-MMC application, as these elements were identified as one of the weakest components present in converter applications. A physics-of-failure approach is chosen for the prognosis scheme. This scheme uses the thermal loading of the semiconductor devices of a HB-SM for making computations of the lifetime consumption in the evaluated period. Then, from this lifetime estimation the remaining useful life can be inferred. Additionally, the prognosis scheme allows the calculation of the reliability of the HB-SM by considering the reliability functions of its composing elements. Consequently, this calculation is used for computing the redundancy needed for attaining the target availability values with the help of a Markov Chain and Monte Carlo simulations. Another important subject addressed in this thesis is the condition monitoring of IGBT modules. For this purpose, a Power Cycling testbench was developed. The V_(CE(on)) was chosen as the parameter for tracking the evolution of the degradation state of the power device throughout the cycling tests. Consequently, an online V_(CE(on)) measurement board was conceived and developed. In order to get more relevant insights of the cycling protocol applied, a strategy for the online estimation of the junction temperature of IGBT devices was developed and it is based on the use of a Kalman filter. This strategy also enables to perform an estimation of the degradation of the state-of-health of the IGBT by analyzing the Thermo-Sensitive Electrical Parameters.