Convertisseurs de puissance : innovations technologiques, du Watt au Gigawatt

L’électronique de puissance est un domaine en pleine évolution qui joue un rôle clé dans la transition énergétique et l’intégration des énergies renouvelables. Du Watt au Gigawatt, des innovations technologiques majeures dans les convertisseurs de puissance ouvrent des pistes nouvelles cruciales pour relever les défis énergétiques actuels et futurs.

En effet, les convertisseurs de puissance, correctement dimensionnés et contrôlés, contribuent significativement à améliorer le rendement énergétique global des infrastructures énergétiques en facilitant l’intégration des renouvelables, en réduisant les pertes de conversion et en optimisant la gestion des flux.

1 – Plusieurs types de convertisseurs de puissance modernes contribuent à améliorer l’efficacité énergétique des infrastructures énergétiques

• Convertisseurs CA/CC (redresseurs) : Ils permettent une conversion efficace du courant alternatif en courant continu. Ils sont essentiels pour interfacer les sources d’énergie renouvelables intermittentes comme l’éolien et le solaire avec le réseau électrique, réduisant les pertes lors de l’injection.
  
• Convertisseurs CC/CA (onduleurs) : Ils convertissent efficacement le courant continu en alternatif, avec un rendement élevé. Ils sont cruciaux pour l’intégration des systèmes de stockage d’énergie (batteries) et la gestion bidirectionnelle des flux dans les réseaux intelligents.
  
• Convertisseurs de puissance pour moteurs électriques : Dans les transports ferroviaires et autres applications industrielles, les convertisseurs assurent un contrôle précis de la vitesse et du couple des moteurs électriques. Cela permet une conduite optimisée avec récupération d’énergie au freinage, réduisant la consommation globale.
• Convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC): Les MMC sont une avancée majeure pour les liaisons à courant continu haute tension (HVDC) de forte puissance (jusqu’au gigawatt). Ils offrent d’excellentes performances en termes d’harmoniques et de pertes réduites par rapport aux convertisseurs classiques. Cependant, leur commande est complexe et nécessite une puissance de calcul informatique importante pour équilibrer les tensions entre les sous-modules.
• Convertisseurs à semi-conducteurs grand gap: L’utilisation de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN) permet de concevoir des convertisseurs plus compacts, plus efficaces et capables de fonctionner à plus haute température, réduisant les pertes. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour des applications allant des chargeurs de véhicules électriques aux réseaux HVDC.

2 – Comment les convertisseurs de puissance peuvent-ils être utilisés pour réduire les pertes d’énergie dans les infrastructures énergétiques ?

• Intégration des énergies renouvelables : En interfaçant efficacement les sources d’énergie renouvelables intermittentes comme l’éolien et le solaire avec le réseau, les convertisseurs réduisent les pertes lors de l’injection de cette énergie sur le réseau. Ils adaptent la tension et la fréquence pour une intégration optimale, réduisant ainsi les pertes énergétiques et garantissant la stabilité du réseau.
• Conversion d’énergie efficace: Les convertisseurs modernes comme les redresseurs CA/CC et les onduleurs CC/CA permettent une conversion d’énergie très efficace avec un rendement élevé, réduisant ainsi les pertes par rapport aux anciennes technologies. Un dimensionnement optimal des convertisseurs pour leur utilisation réelle permet d’atteindre un rendement énergétique maximal.
• Contrôle précis des moteurs électriques: Dans les applications de transport ferroviaire, les convertisseurs assurent un contrôle précis de la vitesse et du couple des moteurs électriques. Cela permet une accélération et un freinage optimisés, ainsi qu’une récupération d’énergie au freinage, réduisant la consommation globale.
• Gestion intelligente des flux d’énergie: Les réseaux électriques dits intelligents (Smart grids) évoluent vers des architectures maillées et bidirectionnelles avec l’intégration des énergies renouvelables décentralisées et du stockage d’énergie. Cela requiert des convertisseurs de puissance flexibles et communicants pour une gestion optimisée des flux d’énergie bidirectionnels, réduisant les pertes de transport et de distribution.
• Réduction des pertes par effet Joule: Les convertisseurs à semi-conducteurs grand gap comme le SiC ou le GaN permettent de concevoir des convertisseurs plus compacts avec moins de pertes par effet Joule, améliorant ainsi le rendement global.
• Dimensionnement optimal : Un dimensionnement approprié des convertisseurs pour leur utilisation réelle contribue à atteindre un rendement énergétique maximal sur leur cycle de fonctionnement. Un surdimensionnement conduit à des pertes accrues et une baisse d’efficacité.

Quelques défis et opportunités

• Améliorer l’efficacité, la fiabilité et réduire les coûts des convertisseurs de puissance
• Développer des topologies de conversion innovantes et des stratégies de commande avancées
• Relever les défis de l’intégration massive des énergies renouvelables intermittentes
• Exploiter le potentiel des réseaux HVDC pour le transport d’électricité sur de longues distances
• Favoriser la transition vers des réseaux électriques intelligents et durables