L'Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) développe des alimentations de forte puissance pour des applications d'électronique impulsionnelle. En vue de réduire les pertes, l'encombrement et le poids de ces systèmes, des thyristors en carbure de silicium pourraient à l'avenir remplacer les interrupteurs en silicium actuels. C'est dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire Ampère et l'ISL que s'inscrit cette thèse sur ce thème de recherche. Les propriétés physiques du carbure de silicium et les composants réalisés par différents laboratoires universitaires et industriels ont démontré les aptitudes de ce matériau pour les fortes puissances. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de concevoir de réaliser et de caractériser des thyristors optiques en carbure de silicium. Dans un premier temps, le travail de conception, basé sur des simulations éléments finis, a permis d'optimiser deux protections périphériques, la JTE multiple gravée et la JTE assistée par anneaux gravée, toutes deux robustes vis à vis des incertitudes technologiques sur la gravure, et ayant la particularité de ne pas recourir à l'implantation ionique. Deux séries de thyristors optiques ont ainsi été fabriquées. Le premier lot avait pour but de valider la faisabilité du déclenchement optique de thyristor avec des diodes électroluminescentes UV. Le deuxième lot a permis de mettre en œuvre la JTE assistée par anneaux. Une tenue en tension maximale de 6,3 kV a été mesurée sur ces thyristors. Ces composants sont aussi destinés à évaluer les possibilités en termes d'impulsion de courant des thyristors SiC. A ce titre, deux premières caractérisations ont été effectuées et les dispositifs ont été capables de passer un courant crête de 156 A (soit une densité de courant de 15,6 kA.cm-2) sur une impulsion de 10 μs de large et 40 A (4 kA.cm-2) sur une impulsion de 650 microsecondes de large. Ces résultats montrent une progression significative par rapport aux précédents travaux réalisés sur le thyristor SiC au laboratoire. Ils valident également la bonne stabilité de la technologie de fabrication de l'ISL (gravure, contact ohmique). Cependant, le rendement de fabrication devra être amélioré par le travail mené actuellement par l'ISL, sur la passivation des composants.

This research report is submitted as a partial fulfilment of the requirements for a Master of Science degree in Electrical Engineering (Power). / Thyristor Controlled Series Capacitors (TCSCs) are FACTS devices which incorporate power-electronic-based and other static controllers to enhance controllability and increase power transfer capability. This research investigated the possibility of applying TCSCs on the South African transmission network, in particular application on long transmission lines connecting bulk thermal generators in the northern part of South Africa to load centres located hundreds of kilometres elsewhere in the country. The investigation, conducted using PSS/E (a power system analysis software) demonstrated that application of TCSCs on this part of South African transmission network results in improved transient stability margins. The resulting improvement in transient stability is comparable to other transient stability enhancement options like addition of transmission lines, thus the use of TCSCs can be considered as an alternative. Further studies would be vital to understand the interaction between Power System Stabilizers (PSSs) and TCSCs in order to ensure proper tuning and interaction amongst the devices. / MT2017

Un des principaux problèmes de notre époque concerne l'énergie électrique. Si l'industrie représente une grande part de la consommation électrique, le secteur domestique n'est pas en reste. Le secteur de l'électroménager se développe dans les pays au rythme de l'augmentation du niveau de vie des habitants. Les appareils ménagers intègrent de plus en plus des fonctions électroniques consommant aussi bien de l'énergie en mode actif qu'en mode " veille ". Dans un souci de diminuer l'énergie consommée par les appareils ménagers, il est important d'exploiter toutes les possibilités que peut fournir l'électronique pour développer de nouveaux produits à faible consommation d'énergie, tout en apportant de la valeur ajoutée en termes de protection et de réduction de coût d'un équipement ménager. Nous nous sommes focalisés sur la recherche de solution pour minimiser l'énergie de commande des interrupteurs AC de type TRIACs ou Thyristors. Nous avons analysé l'ensemble des solutions permettant de commander un TRIAC et de réduire son énergie de contrôle. A partir de ces analyses, nous avons développé une structure bidirectionnelle en courant et en tension de type TRIAC, commandée par l'intermédiaire d'une tension. La deuxième solution mise en œuvre pour réduire la consommation de commande, est d'utiliser deux thyristors sensibles (faible énergie de commande) montés en antiparallèle tout en résolvant le problème de référence avec une solution innovante. La troisième solution a été d'étudier un interrupteur bidirectionnel en courant et en tension dont l'état passant est auto-entretenu (Bistable). Enfin, nous avons quantifié le gain énergétique que l'on pouvait apporter en introduisant de l'électronique pour réduire la consommation électrique dans un réfrigérateur.

L'intégration monolithique des composants de puissance se justifie par la réduction des coûts de fabrication et par l'amélioration des performances des dispositifs électroniques de puissance en termes de fonctionnalités et de fiabilité. Pour l'heure, ce domaine de l'électronique de puissance ne concerne que les applications faible et moyenne puissance. En effet l'isolation entre les différentes fonctions électriques demeure l'aspect le plus pénalisant en ce qui concerne la fiabilité de ce type de composant. Dans cette étude nous nous proposons de caractériser deux types d'isolation. Notre travail porte tout d'abord sur l'interaction puissance-commande entre un nouveau composant de puissance à grille isolée bidirectionnel en tension, le MBS (Mos Bidirectional Switch), et sa commande intégrée. Il s'agit alors de montrer les limites de l'isolation par jonction PN lorsque le niveau de tension atteint quelques centaines de volts (600 V). Des modèles sont développés pour permettre de comprendre les phénomènes de génération des perturbations durant les différents régimes de fonctionnement de l'interrupteur de puissance. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude des interactions entre composants de puissance au travers de la caractérisation de l'isolation diélectrique des composants sur SOI (Silicon On Insulator). Nous déterminons alors le couplage capacitif qui existe entre deux caissons d'isolation et qui peut conduire à un déclenchement parasite des composants réalisés à l'intérieur. Enfin l'ensemble de notre réflexion sur les performances des deux types d'isolation est synthétisée dans un bilan comparatif, dont l'objectif final est de mieux cerner les domaines d'applications de ces deux choix technologiques.

The power transfer capability of a transmission line is determined by the magnitude of the voltage at each end of the line, angle difference of these voltages and the impedance of the line. This impedance is mainly inductive. Traditionally, fixed series capacitor banks have been used for series compensation. However, due to instability problems associated with loading transmission line close to their thermal limits, researchers have looked at other alternatives to line compensation by static devices such as fixed series capacitors. Flexible AC Transmission Systems (FACTS) has allowed power utilities to use existing transmission line networks close to their thermal limits without compromising stability of the power system. A FACTS series compensator is capable of influencing the transmission of power in a transmission line by dynamic control of the series compensating reactance inserted in the line. There are several different devices under the FACTS family, however, in this thesis only the Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC) was considered. A TCSC comprises a fixed capacitor in parallel with a thyristor-controlled reactor (TCR). By varying the firing angle ex:. of the thyristors, the TCSC can be made to act in variable inductive or capacitive reactance mode. The thesis' overall objective was to design a practical TCSC for use in a research laboratory for further research initiatives. This thesis looks at different issues that need to be considered when designing and rating a TCSC compensator. In particular, the thesis examines the effects of different sizes of TCSC components on the rating of the device, the effects of harmonics on the TCSC ratings, sizing of TCSC's variable reactance, and the response time of TCSC to a step change in the firing angle. A mathematical model of a TCSC in a single-machine infinite bus (SMIB) system was developed and subsequently used in the initial design of the TCSC. Studies that were done using mathematical model of the TCSC module confirmed the ability of the TCSC controller to dynamically control the capacitive compensating reactance in the transmission line. The thesis then describes the development of a laboratory-scale TCSC for research investigations. Measured results from the laboratory demonstrate the ability of the TCSC series compensator to provide rapid control of series reactance of a transmission line. A detailed mathematical model of the SMIB equipped with TCSC module was developed, using parameter values of the laboratory scale prototype, to investigate power oscillation damping. Time-domain simulation results are presented in this thesis to demonstrate its ability to damp power swings in an electrical network. / Thesis (M.Sc.Eng.)-University of Natal, Durban, 2003.

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Orientador: Helmo Kelis Morales Paredes / Banca: Flavio Alessandro Serrao Gonçalves / Banca: Wesley Angelino de Souza / Resumo: Este trabalho de mestrado descreve uma estratégia de operação multifuncional e flexível aplicado a conversores trifásicos CC-CA (inversores) conectados à rede de distribuição de energia elétrica. A estratégia proposta é capaz de injetar potência ativa na rede e compensar correntes de distúrbios (reativos, desbalanço e harmônicos) simultaneamente. O maior objetivo desta operação flexível é de melhorar a Qualidade de Energia Elétrica em um ponto de acoplamento comum (PAC) permitindo a compensação total ou parcial destes distúrbios ou fatores que degradam a Qualidade de Energia Elétrica. O fator de potência é o principal fator de qualidade a ser observado e ele é calculado através da Teoria da Potência Conservativa - CPT. Entretanto, com base no fator de potência medido pelo lado da rede de distribuição e o fator de potência desejado, um coeficiente de compensação - k é calculado para o ajuste das correntes de compensação dos distúrbios que geram a potência não ativa. / Abstract: This paper depicts a multifunctional and flexible control strategy applied in three-phase inverters, which are connected to the distribution network. The proposed strategy is able to inject active power into the electrical grid and compensate current disturbances (reactive, harmonics and unbalance) simultaneously. The main goal of this flexible strategy is to improve the Power Quality at the point of common coupling (PCC) allowing full or partial compensation of disturbances. Power factor is the main quality index observed and it is calculated according to Conservative Power Theory - CPT. Therefore, based on the power factor measured in the grid side and the desired value for the power factor, a compensation coefficient - k is calculated continuously adjusting the amplitude of the compensation current. / Mestre

[pt] Programas de estabilidade transitória são ferramentas indispensáveis no planejamento e na operação de sistemas de potência. Compensadores estáticos têm por objetivo o controle de tensão em regime permanente e a melhoria da estabilidade transitória e dinâmica. São equipamentos modernos que encontram no sistema de transmissão brasileiro um vasto campo de aplicação. Este trabalho envolveu a implementação de um programa de estabilidade transitória (TRANSTAB) no computador CYBER 170-853 da PUC/RJ e a inclusão neste programa de um modelo de compensadores estáticos tipo reator controlador por tiristores e de uma rotina de geração de relatórios de saída. O TRANSTAB faz uso das mais modernas técnicas de simulação e está fartamente documentado ao longo deste trabalho. São feitas sugestões de inclusão de modelos que visam adequar o programa ao sistema elétrico brasileiro. Foi realizada uma rápida revisão acerca dos tipos, aplicados e princípios de funcionamento dos compensadores estáticos. O seu sistema de controle foi objeto de uma análise mais detalhada principalmente nos aspectos com a sua representação e modelagem em estudos de estabilidade. / [en] A transient stability program is a very important tool for power system planning and operation. Static compensators are designed to provide voltage control on normal operation and to improve the transient and dinamic stability. They are modern equipments with a great field of application on the brazilian transmission system. This work envolves the transient stability program (TRANSTAB) implementation in PUC´s computer (CYBER 170- 835) and the inclusion of a static compensator (Thyristor Controlled Reactor Type) model and a new output printout routine in this program. The TRANSTAB program makes use of the most recent simulation techniques and it is very well documented in this work. Suggestions are made on the inclusion of new equipment models, in order to extend the program modelling capability. A quick review is made on the static compensator types, applications, and functioning basics. Its control system is the object of a more detailed study, mainly on the aspects related to the modelling and representation on stability studies.

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Thyristor switched capacitors (TSCs) have found an ever increasing role in the operation of flexible AC transmission systems or FACTS. The ability of these static var compensators to regulate the voltage by consuming or supplying reactive power quickly is not only viable for transmission but is an effective measure for increasing power quality at a distribution level. The proposed design uses a variable number of logically switched capacitors to supply reactive generation per reactive demand. The design ensures that the capacitors are safely switched into service, reactive demand is accurately calculated, and the TSC will respond quickly to changes in demand. While providing fast and safe operation, the conceptual design is also flexible enough to allow for optimization of the TSC to meet the demands of specific loads.