Disjoncteur courant continu sans formation d’arc pour système de stockage des batteries de réseau

Promoteur principal : Université de Toronto
Lieu : Toronto (Ontario)
Contribution de l’Initiative : 560 000 $
Total du projet : 1 080 000 $

Contexte du projet :

Disjoncteur courant continu sans formation d’arc pour système de stockage des batteries de réseau

Une représentation en 3D de la technologie développée, soit le disjoncteur de courant continu DC-CB-1 à échelle réelle, mettant en relief ses principaux composants. DC-CB-1 est un appareil électrique employé pour rapidement couper le courant électrique alimentant un système à courant continu qui est sujet à des conditions anormales afin de rapidement protéger ou isoler les systèmes de stockage dans des batteries à des fins commerciales.

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L’intégration de sources d’énergie renouvelable dans le réseau électrique offre de nombreux avantages économiques et environnementaux importants aux Canadiens; ainsi, la production d’électricité de telles sources s’est accrue de façon remarquable. Toutefois, les sources d’énergie renouvelable sont normalement décentralisées et variables, ce qui met beaucoup de pression sur un réseau électrique conçu il y a des dizaines d’années en fonction de grandes génératrices dont l’énergie produite peut être acheminée. Le réseau fera face à d’autres défis alors à mesure que les véhicules électriques à recharger s’accroissent en nombre. Le stockage d’électricité au moyen de batteries à des fins commerciales représente une nouvelle possibilité importante pour la gestion des défis que pose la variabilité de l’offre et de la demande pour les réseaux modernes de distribution.

Le manque de solution faisable et éprouvée pour protéger la batterie et l’isoler rapidement dans des conditions d’urgence est l’un des principaux obstacles techniques à l’adoption par le marché et au déploiement à grande échelle de systèmes de stockage d’énergie à des fins commerciales dans des batteries raccordées au réseau. En reconnaissant la lacune technologique à cet égard, l’Université de Toronto a proposé le projet « Disjoncteur courant continu sans formation d’arc pour système de stockage des batteries de réseau » pour financement par l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. L’Université a reçu 560 k$ pour l’élaboration de deux concepts nouveaux de disjoncteur de circuit courant continu (fondés sur un circuit nouvellement créé) prometteurs pour ce qui est d’offrir une option viable sur le plan commercial.

Résultats

Un disjoncteur de courant continu (CC) est un appareil électrique qui sert à rapidement couper le courant électrique alimentant un système à CC qui est sujet à des conditions anormales, notamment en raison de la défaillance de composants internes ou de court-circuit. Deux concepts de disjoncteur de courant continu (DC-CB) ont été élaborés : DC-CB-1, un interrupteur électronique de transit bidirectionnel, et DC-CB-2, un interrupteur mécanique rapide.

DC-CB-1 emploie deux transistors bipolaires de type à grille isolante et les diodes antiparallèles connexes. Dans des conditions normales d’exploitation, DC-CB-1 fournit un trajet électrique fermé pour faire passer le courant au banc de batteries. Cependant, en cas de conditions anormales, il ouvre le trajet et coupe le courant aux batteries. En raison des inductances physique et parasite du convertisseur et du banc de batteries, l’actionnement de l’interrupteur de DC-CB-1 peut donner lieu à des tensions transitoires excessives qui ne sont acceptables ni pour les batteries, ni pour les composants du convertisseur, ni pour l’interrupteur en soi. Par conséquent, un circuit de suppression auxiliaire est introduit pour atténuer les tensions transitoires et offrir un actionnement de l’interrupteur pratiquement sans tension transitoire pour ce qui est du banc de batteries et du convertisseur. Le circuit de suppression auxiliaire consiste en une configuration nouvelle et brevetable de circuit actif. Des activités exhaustives de simulation et d’analyse ont été réalisées afin de déterminer les principales caractéristiques de rendement de DC-CB-1. Ensuite, un prototype à l’échelle de DC-CB-1 (20 A c.c./200 V c.c.) a été conçu, élaboré et utilisé aux fins de la validation de principe et de rendement. Selon les résultats des essais, un prototype à échelle réelle pour des essais sur le terrain était à créer, ce qui a entraîné une série d’activités, notamment l’approvisionnement des composants, la vérification et la modification de la conception, l’élaboration d’études de cas et de procédures et enfin, la sélection du site bêta. Un prototype à échelle réelle de DC-CM-1 a été créé avec succès et est prêt à être mis sur pied dans un site bêta.

DC-CB-2 emploie un contacteur haute vitesse. Dans des conditions normales d’exploitation, l’interrupteur mécanique est fermé et fournit un trajet presque parfait pour faire passer le courant au banc de batteries, sans entraîner des pertes. Cependant, en cas de conditions anormales, l’interrupteur mécanique s’ouvre et coupe le courant, ce qui cause normalement la formation d’un arc électrique sur l’ensemble des contacts mécaniques. La fonction principale du circuit de suppression auxiliaire consiste à supprimer l’arc et à faire ouvrir DC-CB-2 rapidement et sans arc. Des activités exhaustives de simulation et d’analyse ont été réalisées afin de déterminer les principales caractéristiques de rendement de DC-CB-2. Ensuite, un DC-CB-2 à l’échelle a été conçu, élaboré et mis à l’essai. Des stratégies de commande de décharge et avant la charge ainsi que l’incidence de ces stratégies sur l’arc ont fait l’objet d’essais, tout comme les effets de tensions et de courants divers, sans et avec le circuit de suppression auxiliaire.

Avantages pour le Canada

Les avancées dans la technologie de disjoncteurs de courant continu facilitent la prolifération de systèmes de stockage dans des batteries à des fins commerciales, ce qui permettra l’intégration de sources renouvelables de production d’électricité et de véhicules électriques au réseau électrique. Le Canada en tirera des avantages économiques et sur le plan de l’environnement.

Prochaines étapes

La mise à l’essai du prototype de DC-CM-1 à échelle réelle sur le site bêta ainsi que l’élaboration et la mise à l’essai sur le site bêta du prototype de DC-CM-2 à échelle réelle

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