Multi-terminal HVDC grid protection strategy based on resistive type superconducting fault current limiters

Les réseaux de transport d’électricité multi terminaux en courant continu, MTDC ou Supergrids, s’avèrent une solution intéressante pour intégrer des quantités massives d’énergie renouvelable et libérer lesa congestions dans les réseaux actuels. Toutefois, le développement de nouveaux systèmes de protection est nécessaire pour assurer un fonctionnement fiable de tels réseaux. En effet, la coupure des courants de défaut se complique par deux raisons : l’absence de passage par zéro du courant et sa valeur élevée avec des temps de montée très courts produits dû principalement par desaux câbles de transmission et les aux convertisseurs de puissance. Dans une approche sélective, les disjoncteurs sont amenés à assurer l’isolement de la ligne en défaut de façon ultra rapide, voire utiliser des moyens de limitation afin d’empêcher l’évolution des courants de défaut. Des inductances en extrémité de ligne peuvent limiter le temps de montée pour élargir la fenêtre temporelle nécessaire à identifier et supprimer le défaut, mais cette solution ne limite pas la valeur en régime permanent du courant de défaut et l’énergie emmagasinée dans l’inductance est un facteur dimensionnant pour le disjoncteur.Une nouvelle stratégie de protection pour les réseaux de transport d’électricité multi terminaux (MTDC) fondée sur l’implémentation de modules pouvant, en même temps, limiter et interrompre les courants de défaut sera est étudiée dans cette thèse. Le module proposé est composé d’un limiteur supraconducteur de courant de défaut, ou SFCL, de type résistif en série avec un disjoncteur électromécanique ou DCCB (DC circuit breaker). La forte limitation résistive réduit les spécifications en termes de vitesse et d’énergie en énergie du DCCB ainsi que les courants de défaut vus par les convertisseurs modulaires multi niveaux (MMC) ce qui évite leur surdimensionnement et la redondance des éléments de puissance. Une compréhension profonde et une modélisation fine du comportement du SFCL a permis son intégration dans une stratégie sélective pour le MTDC. L’utilisation de capacités au niveau du jeu de barres et un dimensionnement adéquat des SFCL permettent d’assurer une sélectivité intrinsèque tout en respectant les limites thermiques du SFCL (points chauds). Cela permet l’utilisation d’algorithmes de protection simples et ouvre la possibilité d’un fonctionnement stable et en continu du réseau pendant et après le défaut. Des simulations avec le logiciel EMTP RV® ont été réalisées pour l’étude des transitoires électromagnétiques. Une maquette virtuelle de réseau MTDC a été développée afin de faciliter le paramétrage et exécuter des séries de simulations pour différents cas de figure. Par ailleurs, une implémentation astucieuse du modèle du SFCL a permis d’estimer sa stabilité thermique, en prenant compte des hypothèses conservatives. Le comportement du réseau MTDC en cas de défaut a été observé et les performances de la stratégie de protection proposée ont été analysées grâce aux résultats des simulations. Pour conclure, une procédure de validation en simulation temps réel de la stratégie de protection est proposée comme base pour des travails travaux futurs.Multi-terminal high voltage direct current (MTDC) grids, or Supergrids, are considered an interesting solution to integrate large amounts of renewable power and release congestion of existing AC power grids. Nonetheless, safe and reliable operation of such grids require the development of new DC protection systems. Two main difficulties for the fault current interruption are well known: the absence of zero crossing and the high rate of rise and magnitude of short circuit currents produced by transmission cables and AC/DC converter stations. In selective fault clearing strategies, DC circuit breakers (DCCB) must be either ultra fast or use fault current limiters to ensure a selective isolation of the faulty transmission line before the current reaches excessive values. DC reactors located at line ends could reduce the current rate of rise and increase the time available for the fault discrimination and interruption. Nonetheless, this solution remains insufficient to limit the steady state fault currents and the energy stored by the inductance overdesigns a lot the DCCB.A novel protection strategy for MTDC grids based on the implementation of breaking modules with both limiting and breaking capabilities is studied in this work. The proposed breaking module integrates a resistive type (R-type) SFCL in series with a mechanical DC circuit breaker. The strong limitation reduces the speed and energy requirements of the electro mechanical DCCB and reduces surge currents through half bridge modular multilevel converters (MMC), avoiding oversizing or redundancy of power electronic components. A deep understanding of the SFCL behaviour and an advance modelling allowed its integration into a selective fault clearing strategy for the MTDC grid. The use of busbar capacitors and proper sizing of SFCL devices ensure an inherent selectivity while respecting its thermal limits (hot spots). This enables the development of straightforward protection algorithms and the possibility of a continuous and stable operation of the DC grid during and after the fault event. Off line simulation studies were performed in the electromagnetic transient program EMTP RV®. A MTDC virtual mock up was developed to custom grid parameters and perform simulation batches with different test case scenarios. Furthermore, the SFCL model was cleverly implemented to analyse the thermal stability of the device under conservative assumptions. The behaviour of the MTDC grid under fault conditions was described and the performances of the proposed fault clearing strategy were analysed thanks to simulation results. To conclude, a real time validation procedure is proposed and given as basis for future studies