thumb|upright=1.5|Convertisseurs à thyristors sur le pôle 2 de la ligne Inter-Island en Nouvelle-Zélande. Les installations à courant continu haute tension (CCHT), en anglais High Voltage Direct Current (HVDC) permettent de transporter de la puissance électrique entre plusieurs postes de conversion reliés au réseau électrique en courant alternatif. Elles peuvent régler dans une certaine mesure la puissance active et la puissance réactive injectées dans le réseau, ce faisant elles doivent être en mesure de commander le courant envoyé ou absorbé, ainsi que le niveau de tension du poste et ce aussi bien du côté tension continue que du côté tension alternative. Le réglage de la puissance active influence également la fréquence du réseau électrique. Le poste qui envoie de la puissance est dit , celui en recevant . Toutes ces commandes doivent être faites de manière cohérente, sans excéder de valeurs maximales admissibles par un des équipements électriques et sans mettre en danger la stabilité du réseau électrique. Mieux, en cas de défaut sur le réseau électrique le poste HVDC assiste dans la stabilisation du réseau.
Par ailleurs, les postes électriques contiennent des équipements coûteux et indispensables à la bonne conduite du réseau, il convient donc de les protéger contre les défauts pouvant apparaître sur le réseau : court-circuit, chute de foudre, choc de manœuvre, surtension, sur-fréquence, surcharge… Des appareils dédiés, dit de protections, permettent de déclencher des alarmes ou de déconnecter les parties affectées par un défaut et ainsi d'éviter la destruction ou la diffusion du défaut à d'autres éléments du réseau. Les postes HVDC ne font pas exception à ces concepts, même si ces derniers doivent être quelque peu adaptés par rapport à ceux utilisés dans le réseau en courant alternatif (AC).
Les installations HVDC sont à diviser en deux familles : les installations commutées par les lignes (, LCC)) et celle autocommutées, plus couramment dite « convertisseurs source de tension » (, VSC). Leur fonctionnement étant fondamentalement différent, leur commande et protection le sont également. Pour éviter les confusions les parties seront divisées dans la suite de l'article.
Les LCC sont commandés en source de courant. En temps normal, le redresseur assure le réglage de la tension, l'onduleur celui du courant, toutefois la commande à marge courant permet d'échanger les rôles en cas de besoin. L'inversion du flux de puissance se fait grâce à une inversion de la polarité de la tension. La puissance réactive est fournie par des bancs de capacités connectés en fonction des besoins. Les puissances réactive et active sont liées, toutes les configurations ne sont pas possibles. Les convertisseurs ont la capacité d'interrompre un court-circuit côté courant continu, par contre ils sont vulnérables aux chutes de tension côté AC.
Les VSC, comme leur nom l'indique sont commandés en source de tension. Les réglages de la tension active et réactive sont indépendants, cela permet beaucoup plus de possibilités pour la commande des VSC. La polarité des lignes reste constante. La puissance réactive est produite par les convertisseurs directement sans assistance de bancs de capacités. Les VSC deux quadrants n'ont pas la capacité d'interrompre eux-mêmes un court-circuit côté courant continu contrairement de ceux à quatre quadrants, aussi appelés en pont en H. Cependant, ils peuvent démarrer sans tension AC, on parle de . L'article se focalise sur les VSC multi-niveaux, mais ceux à deux niveaux ont des stratégies de commande et protection similaires.
Commande Commande des LCC Principes généraux Le système est constitué de ponts de diodes triphasés, ou pont à 6 impulsions, qu'on peut représenter avec seulement six éléments de commutation, appelés en anglais ou en français, chacune reliant une phase du système alternatif à une phase du système continu. À chaque instant, deux soupapes doivent être passantes, une en haut du pont et une en bas, reliant chacune une phase AC différente à l'une des deux lignes DC. Deux phases AC sont donc connectées en série aux lignes DC, la tension DC est par conséquent égale à la somme de deux phases AC à tout moment. Par exemple lorsque les valves V1 et V2 sont passantes, la tension continue est égale à la tension de la phase 1 plus celle de la phase 3.
À cause de l'inductance des lignes AC, le passage d'une valve à une autre, d'une phase à une autre, la commutation, n'est pas instantanée. Lors de la commutation, il a une superposition : deux valves conduisent simultanément. Par exemple, si les valves V1 et V2 sont passantes et que la valve V3 est amorcée, le chemin du courant doit passer de la valve V1 à la valve V3, pendant un court instant les deux conduisent.
Pendant cette durée, la tension continue est égale à la moyenne de la tension des phases 1 et 2 moins celle de la phase 3. L'angle de superposition µ s'accroit avec le courant transporté par l'installation. Avec α l'angle de retard à l'ouverture des thyristors, typiquement α + µ a une valeur comprise entre 13 et 18° à pleine puissance.
thumb|upright=1.5|Pont de Graetz triphasé à base de thyristors, monté en redresseur.thumb|upright=1.5|Explication du processus de commutation. Quand les valves 1 et 2 sont passantes, la tension continue dépend de 2 des trois tensions alternatives. Pendant la superposition, la tension continue est formée des trois tensions alternatives.
Pendant la superposition, la tension continue est plus faible qu'en son absence, elle forme une sorte de dent caractéristique. En conséquence la tension continue décroit en moyenne lorsque la période de superposition croît, autrement dit la tension continue moyenne décroît quand le courant transportée croît.
thumb|upright=1.5|Tension et courant sortant d'un pont de Graetz triphasé pour un angle de superposition de 20° et α = 20°thumb|Illustration de l'équation ci-contre La valeur de la tension continue au bornes d'un redresseur à pont de Graetz à 6 impulsions est donnée par :
Où: VLLpeak est la valeur crête de la tension alternative sortant des transformateurs connectés aux convertisseurs. Vdi, 0 est la valeur maximale de la tension continue. α est angle de retard à l'ouverture des thyristors Lc est l'inductance de commutation des lignes AC par phase. Xc est l'impédance de commutation des lignes AC par phase. Idc est le courant continu f est la fréquence du réseau alternatif, 50 ou selon les régions du monde.
L'angle de retard α étant l'intervalle entre le moment où la tension aux bornes d'une valve devient positive, moment où une diode deviendrait passante, et le moment où le thyristor est amorcé et devient passant. L'équation précédente montre clairement que quand l'angle de retard augmente, la tension continue diminue. Au-delà de 90° elle devient négative, cela marque la limite entre le fonctionnement en redresseur et le fonctionnement en onduleur. L'équation pour l'onduleur est identique en remplaçant α par γ. Au plus le réseau est fort, au plus Lc est faible, ainsi on assume en général que Lc, redresseur est plus faible que Lc, onduleur, la pente de la courbe côté onduleur est donc plus grande.
Dans une LCC, le réglage de l'angle de retard constitue la seule méthode de commande rapide des convertisseurs. Il permet de commander la valeur de la tension continue de chaque côté de la ligne, commandant en même temps la chute de tension et donc la puissance transférée. Le courant transitant dans une LCC est égal à:
Où: Vredresseur est la tension continue côté redresseur Vonduleur est la tension continue côté onduleur Rligne est la résistance de la ligne continue thumb|Tension et courant aux bornes d'un onduleur avec γ =20° et µ=20°
À la station de sortie, fonctionnant en onduleur, l'angle de retard idéal est de 180°, toutefois cette valeur ne peut être atteinte pour deux raisons. Tout d'abord à cause des phénomènes de superposition, ensuite à cause de l'angle d'extinction γ. Cet angle modélise le fait que les soupapes ne retrouvent pas instantanément leur capacité isolante après avoir été passantes. Cet angle est lié au temps de , noté tq des thyristors et vaut typiquement 15°. La relation entre α, γ et µ est la suivante : (en degrés)
Dans cette technologie, la station qui fonctionne en redresseur a un angle de retard proche de 0, celle qui fonctionne en onduleur un angle proche de 180°, la différence de tension est alors maximale, le transfert d'énergie maximalisée. Toutefois à cause des temps de commutation des valvess et de marges de sécurité, les angles ne peuvent être exactement 0 et 180°, ils sont dans les faits plus proche de 13 et entre 160 et 165°. La valeur maximale de l'angle α est aussi appelée « butée onduleur ». α ne peut pas être exactement égal à zéro afin de garder une tension positive suffisante dans les thyristors et ainsi éviter une erreur de commutation.
Inversion de la polarité thumb|Ordre de déroulement du changement de polarité
Si le gestionnaire du réseau souhaite inverser le sens du transfert de puissance, dans le cas d'un LCC, il doit procéder à une inversion de polarité, c'est-à-dire inverser la polarité de la tension des lignes alors que le courant ne change pas de sens. Dans ce cas, il faut tout d'abord ramener la puissance active transférée et donc le courant continu à zéro. C'est la commande du courant, assurée traditionnellement par le redresseur qui entre donc en jeu. Ensuite, les thyristors sont parfois bloqués afin de confirmer le changement de polarité aux stations. Ils sont ensuite redémarrés avec les nouveaux angles de retard souhaités, l'angle de retard du nouvel onduleur est augmenté jusqu'à environ 160° et celui du nouveau redresseur est diminué jusqu'à quelques degrés. La tension est donc inversée, une fois cette opération réalisée, le courant est de nouveau élevé, la puissance active transférée n'est plus réduite.
Stratégie de commande thumb|upright=1.5|left|Exemple de structure de commande de pôle d'un LCC La commande de la station HVDC doit assurer le transfert de puissance sans mettre en danger le réseau alternatif. Il doit ainsi à la fois commander la puissance réactive envoyée dans le réseau AC, la tension AC qui lui est liée et le courant. Dans le cas d'une LCC, les deux degrés de liberté sont les angles de retard α et γ réglant respectivement le redresseur et l'onduleur. Les stratégies de commande usuelles sont équidistantes depuis la fin des années 1960, c'est-à-dire que les trois phases sont contrôlées ensemble avec un angle constant de 60° pour un pont à 6 impulsions entre chaque phase.
Cette possibilité de contrôler la puissance qui transite par les lignes HVDC est un grand avantage face aux lignes AC, pour lesquelles la puissance transitée est subie en fonction des lois de Kirchhoff. thumb|upright=1.5|Figure 1 : Le redresseur a une caractéristique de commande lui imposant un angle α minimum et un courant constant (courbe bleu). L'onduleur a une caractéristique de commande lui imposant un angle d'extinction minimum et un courant constant (courbe rouge). P est le point de fonctionnement de l'installation. Le redresseur commande alors le courant, l'onduleur la tension. La marge de courant entre les deux consignes de courant permet le bon fonctionnement du poste. Idéalement l'installation pourrait être commandée en courant constant uniquement, toutefois la tension côté courant alternatif doit être maintenue à un niveau approximativement constant cela doit être pris en compte dans la stratégie de commande. La valeur de la tension continue n'a pas d'influence sur le réseau alternatif, elle peut donc être choisie librement. Une tension élevée limite le courant à puissance constante, cela limite les pertes en ligne. Toutefois, il faut conserver une marge pour éviter les surtensions en cas de défaut.