Brevet FR2397088A1 — publié le 19790202

La présente invention a trait au soutirage de l'énergie électrique véhiculée dans une ligne de transport à haute tension continue et à la transformation de cette énergie en énergie à courant alternatif alimentant un réseau de consommation locale, et elle concerne plus particulierement un système capable d'extraire une quantité donnée d'énergie d'une ligne de transport à haute tension continue et de la~transformer en puissance complexe, l'ensemble du système étant monté en série sur la ligne de transport à haute tension continue considérée. Par puissance complexeXon entend une puissance proportionnelle a' la somme de la puissance active (également appelée puissance réelle) et de la puissance réactive fournies a' une charge électrique, en régime sinusoidal Il n1 existe présentement aucun mode de réalisation pratique de systèmes pouvant servir de poste intermédiaire, le long d'une ligne de transport à courant continu,pour l'extraction et la con- version de l'énergie véhiculée par cette ligne en puissance complexe directement utilisable par un appareillage fonctionnc-nt sur courant alternatif. La présente invention propose donc un système qui peut être monté en série sur une ligne de transport dgénsegie a haute tension continue, et qui permet le soutirage d'une faible ou d'une forte portion de cette énergie et sa conversion en ten- sion alternative pour une utilisation locale,les éléments consti- tuant ce système étant alors sous une tension proportionnelle a' la puissance soutirée de la ligne de transport. Suivant la présente invention, le système préconisé est branché en série avec la ligne de transport et comporte, en com- binaison : des moyens d'extraction et de conversion de l'énergie véhiculée par cette ligne en puissance active; des moyens sénés rateurs de puissance réactive,alimentés par ladite ligne de transport et délivrant la puissance réactive demandée par ;ies- dits moyens d'extraction et de conversion ainsi que par la char- ge électrique branchee aux bornes de sortie du système5 et des moyens de commande reliés auxdits moyens d'extraction et de conversion et auxdits moyens générateurs pour assurer la fourniture de ladite puissance active par les seuls moyens d'extrac- tion et de conversion précités. De toute façon, l'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques annexes seront mises en évidencesà l'aide de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de ce système, en référence au dessin schématique annexé,dans lequel: la figure 1 représente un système de soutirage selon I 'inven- tion, monté en série sur une ligne de transport d'énergie à haute tension continue; la figure 2 représente très schématiquement un ensemble de commande des ponts de conversion employés dans le système de la figure 1. En se référant à la figure 1, l'ensemble du système de soutirage est contenu dans une enceinte métallique 1 qui est maintenue a la tension de la ligne de transport à haute tension continue L au moyen d'un conducteur électrique 6. Le système de soutirage est branché directement en série sur la ligne de transport L à l'aide de connecteurs 2 et 3 alors que le raccordement de sortie, 2r:1ssant la tension alternative, se fait par des connecteurs 4 et 5, le connecteur 4 assurant aussi la mise à la terre. En conséquence, il est a noter que l'installation de ce système de soutirage est relatirjement simpZ=--e et peu complexe et peut être effectue en un temps relativement court. Des disjoncteurs DA, DB et DC permettent, selon qu'ils sont ouverts ou fermés, d'alimenter directement le système de soutirage ou encore de lc court-circuiter,ce qui assure une continuité de fourniture d'énergie haute tension continue le long de la ligne de transport lorsqu'un ou plusieurs systèmes de soutirage montés en série sur cette ligne ne sont pas utilisés. Le système lui-même peut être divisé en deux ensembles opératinnels : le premier ayant pour but d'extraire de l'énergie de la ligne de transport L et de la convertir en tension alternative, le second comportant des éléments de génération de la puissance reactive nécessaire au bon fonctionnement du système. Des convertisseurs G1 et O2 , montes en série,ont pour fonction d'extraire une fraction ou la totalité de l'énergie véhiculée par la ligne de transport à hautetension continue et de la transformer en puissance active. Ces convertisseurs sont en fait des ponts de conversion conventionnels, de type GraeA,qui opèrent en inverseurs et qui sont réalisés soit avec des thyristors,soit avec des lampes à arc au mercure. Un agencement de ces ponts de conversion C1 et C2 est décrit,par exemple, dans la publication " Control Systems for H.V.D.C. Transmission " par J.P. Bowles, CANA, Mars 1971.Les tensions triphasées A,B,C pro duites à la sortie de chacun de ces ponts alimentent respectivement.les enroulements en étoile B1 et en triangle 32 d.'un transformateur T, qui sert de circuit de couplage,dont l'enroulement secondaire B4 , en étoile ou en triangle, fournit la puissance complexe utilisée. En plus de la puissance active fournie à la charge bran- chée sur la sortie du système, il faut fournir également de la puissance réactive, laquelle est engendrée par une génératrice G dont les tensions triphasées de sortie A', B', Ct alimentent des enroulements B3 montés soit en étoile, soit en triangle transformateur T.a génératrice G est entratnée mécaniquement par un moteur à courant continu N, de type à traction conventionnel; ce moteur M est monté en série sur la ligne de transport h. En régime permanent,le moteur M fonctionne à une vitesse constante correspondant à une fréquence de 50 à 60 Sz, et cette vitesse est ajustée de façon très précise à l'aide d'une excitatrice E reliée à un circuit de commande de vitesse CV.Des bobines de champ L3 , L4 et L5 assurent la constance de la vite sa se du moteur M, indépendamment de l'intensité du courant continu circulant dans la ligne de transport 1. En outre, il est prévu de réguler les tensions de sortie de la génératrice G à l'aide d'un régulateur automatique de tension AVR pour garder ces tensions constantes, ce qui se traduit par une génération de puissance active nulle de la génératrice. En plus de la fourniture de la puissance réactive demandée par la charge de sortie et les ponts de conversion G1 et C2 ,la génératrice G est utilisée pour commander l'angle d ramorçage des éléments constituant chacun de ces ponts de conversion, ceci afin de contrôler avec précision le degré d'extraction de puissance de la ligne de transport h en fonction de celle requise par la charge de sortie. Cette commande s'effectue à l'aide d'un circuit de commande CP dont les entrées X, Y et Z sont reliées, d'une part, à des capteurs de courant et de tension h1 et L2 r respectivement, fournissant une mesure de la puissance active de sortie de la génératrice, et,d'autre part,à un capteur S qui fournit une mesure de la vitesse de rotation de la génératrice G. Par ce moyen,toute augmentation ou diminution de demande de puissance active par la charge se traduit par une variation proportionnelle de l'angle d'amorçage des ponts de conversion Ci et C2 . obtenue par l'intermédiaire du circuit de commande CP. Ce circuit de commande CP est représenté à la figure 2 et sera décrit plus loin. Il est important de noter ici que le système de soutirage fonctionne de façon tout-à-fait adéquate même si un seul pont de conversion, soit Ci , soit C2 , est utilisé. Le présent mode de réalisation prévu5 l'utilisation préférentielle de deux ponts de conversion dans le seul but de diminuer de façon sensible les harmoniques engendrés par ceux-ci,les sorties des deux ponts étant montées en triangle et en étoile sur le transformateur T. En tout état de cause, un filtre F est prévu à la sortie de la génératrice G pour éliminer les harmonIques engendrés par les convertisseurs utilisés. En ce qui concerne la génératrice G, il est à préciser aussi que celle-ci n'est employée que pour fournir les volts-ampères réactifs requis par la charge de sortie et les convertisseurs,et non la puissance active. Si, par exemple, davantage de puissance active était requise,comme suite à une demande accrue de la part de la charge de sortie, un ajustement de l'angle d'amorçage des convertisseurs serait aussitot effectué par le circuit de commande CP à travers les capteurs L1 , L2 et S, de sorte que ce sont les convertisseurs seuls qui fournlssent la puissance active requise réduisant ainsi à zéro la puissance active de sortie de la ge-:eratrice G. Il est a' noter que tous les éléments constituant le système de soutirage sont sous une tension qui est proportionnelle à la puissance soutirée de la ligne de transport à courant continu. Seul 1'enroulement 34 au secondaire du transformateur T est mis à la terreetunécran isolant I sert à protéger l'en- roulement 34 de sortie des perturbations impulsionnelles arri vant de la ligne à courant continu. Le système de soutirage décrit ci-dessus permettrait de soutirer une énergie d'environ 7 MW d'une ligne de transport d'énergie haute tension continue de l'ordre de 500 kV où circule un courant d'environ 500 A. Dans ce cas, la chute de potentii totale à travers les convertisseurs C1 et C2 est de l'ordre de 14 kV, soit 7 kV pour chacun des ponts de conversion; ce qui signifie que cet appareillage fonctionne sous une tension relativement basse, ne requérant que l'utilisation de six thyristors en série par convertisseur. La puissance réactive générée par la génératrice G est de l'ordre de 3 à 4 MVA réactifs lors que eelle-ci possède un enroulement opérant sous 4 kV, soit approximativement la moitié de la tension soutirée par chacun des convertisseurs.D'autre part, le moteur de traction à courant continu M possède, en régime normal, une puissance de l'ordre de 10% de celle du système,pour de bonnes conditions d'accélération, ce qui représente une puissance d'environ 0,4 MW à 500 A, soit une chute de potentiel d'environ 800 V à travers le moteur. Dans ces conditions, la puissance de sortie du système de soutirage se chiffre à environ 7 NW. Pour mettre le système de soutirage en service,il suffit de fermer d'abord les disjoncteurs DB et DC, puis d'ouvrir le disjoncteur DA qui court-circuite le système. Le courant de la ligne de transport L circule alors dans le poste de soutirage qui, au début, apparat comme un court-circuit. Le moteur PI accélère jusqu'à sa vitesse de régime (50 à 60 Hz) et est main- tenu à cette vitesse par l'excitatrice E associée au circuit de commande de vitesse CV. Lorsque le moteur N et la génératrice G qu'il entraîne ont atteint leur vitesse synchrone, des dis- joncteurs DD et DE s'ouvrent automatiquement.Le circuit de mesure de la puissance active branché sur la sortie de la géné ratrice G reduit cette puissance à zéro par un ajustement ap- proprié de l'angle d'amorçage des ponts de conversioneI.es dis joncteurs DD et DE étant ouverts, le courant continu de la ligne traverse les convertisseurs C1 et OS qui fournissent alors toute la puissance active requise par la charge d'utilisation alors que la génératrice G fournit la puissance réactive dema- dée par les ponts et cette charge.Comme mentionné plus haut, le système répond automatiquement aux variations de charge du réseau de consommation locale La figure 2 représente schématiquement un mode de realisation du circuit de commande CP de la figure pour la commande et le contrSle de l'angle d'amorçage des eonvertisseurs ut sés dans chacun des ponts de conversion C1 et C2. Dans ce circuit, les valeurs X et Y fournies par les capteurs L1 et L2 alimentent un circuit de mesure de puissance 7, tel qu'un wattmètre,qui fournit à sa sortie une mesure de la puissance active débitée par la génératrice.La valeur de cette puissance est intégrée à travers l'intégrateur 8 qui comporte un nombre n de sorties, ce nombre correspondant au nombre d'éléments de conversion utilisés pour l'ensemble des ponts de conversion C1 et C2 * Dans le cas où chacun des ponts de conversion utilise six éléments, l'intégrateur 8 aura donc douze sorties,soit un groupe de six sorties pour chacun des ponts. Les signaux apparaissant sur les six sorties de chaque groupe sont alors déphasés entre eux d'un angle électrique de 300.D'autre part, un tachymètre 10 mesure la vitesse de rotation Z de l'arbre reliant mécaniquement le moteur M à la génératrice G, et le résultat de cette mesure alimente un générateur de signaux en dents de scie 11, qui comporte un nombre de sorties n égal à celui de 1'intëgrateur 8 et dont les signaux sont également déphasés de 30 .Les sorties de l'integrateur 8 et du générateur il sont en suite coX arées, de façon correspondante, à l'aide dtun comparateur 9 qui émet, selon le cas,sur chacune de ses n sorties,une impulsion représentative d'un écart entre la valeur du signal émis par le générateur 11 et par l'intégrateur 8,pour une sortie donnée. Cette impulsion émanant du comparateur 9 sert à corriger l'angle d'amorçage d'un élément particulier constituant les ponts de conversion C1 et C2 , afin de varier suivant la demande de la charge le taux de conversion de l'énergie "courant continu en énergie " courant alternatif ".Grâce au circuit de la figure 2, l'angle d'amorçage de chaque élément de conversion est ajusté de façon utomatique en fonction de la demande de puissance active de la charge raccordée à la sortie du système. Il est à noter que le mode de réalisation décrit ci-dessus ne comporte que des composants électriques déjà existants sur le marché,donc de caractéristiques connues, ce qui a pour effet d'en diminuer d'autant les couts de fabrication et d'assemblage. De plus, grâce à l'écran isolant I, l'isolation entre l'enroule- ment 34 du transformateur T et les autres enroulements est amé lioréede façon sensible, ce qui a pour résultat de minimiser les effets causés par les perturbations, telles les fautes de commutation, ou la foudre frappant la ligne de transport,sur la sortie du système. Il est aussi à remarquer que toute la puissance réactive du système est fournie par un ensemble synchrone,constitué par le moteur M et la génératrice G, entièrement alimenté par le réseau principal et intégré au système, de sorte qu t aucun apport auxiliaire ou extérieur d'énergie n'est nécessaire pour en assurer le bon fonctionnement. Bien entendu,l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation de ce système qui a été ci-dessus décrit à titre d'exemple;elle en embrasse, au contraire,toutes les variantes comportant des moyens équivalents.C1est ainsi,notamment, que des modifications et perfectionnements de détail peuvent être apportés au mode de réalisation ci-dessus indiqué sans pour autant sortir du cadre de la présente invention1 comme par exemple l'addition de ventilateurs pour 11 évacuation de la chaleur engendrée par l'ensemble moteur-génératrice et les ponts de conversion. -REVENDICATIONS 1. Système de soutirage et de transformation d'énergie électrique d'une ligne de transport à haute tension continue pour l'alimentation d'une charge en puissance complexe,caractérisé en ce qu'il est relié en série avec ladite ligne de transport et comporte, en combinaison ; des moyens d'extraction et de conversion de la haute tension continue en puissance active sous forme de tension alternative; des moyens générateurs de puissance réactive,reliés à ladite ligne de transport, pour alimenter lesdits moyens d'extraction et de conversion et ladite charge en puissance réactive; et des moyens de commande reliés auxdits moyens d'extraction et de conversion ainsi qu 'auxdits moyens générateurs de puissance ce réactive pour assurer une alimentation, en puissance active, de ladite charge par les seuls moyens d'extraction et de conversion précites. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'extraction et de conversion précités comportent au moins un pont de conversion et un circuit de couplage qui relie entre eux chaque pont inverseur,les moyens générateurs de puissance réactive précités et ladite charge. 3. système selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'il comporte deux ponts de conversion reliés en série,ces ponts étant connectés respectivement audit circuit de- couplage à l'ai- de d'un enroulement en triangle et d'un enroulement en étoile, alors que les moyens générateurs de puissance réactive précités sont reliés au circuit de couplage par un enroulement soit en étoile, soit en triangle. 4.- Système selon la revendication 3,caractérisé en ce que le circuit de couplage comporte un enroulement secondaire relié à la charge de sortie, et en ce que cet enroulement secondaire est isolé électriquement au moyen d'un écran de protection, une des bornes de ltenroulement secondaire et l'écran étant mis à la terre. 5.- Système selon la revendication 2,3 ou 4,caractérisé en ce que le circuit de couplage prcité est constitué par un transformateur. 6,- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que les moyens générateurs de puissance réactive précités comprennent un ensemble moteur-génératrice. 7.- Système selon la revendication 6,caractérisé en ce que le moteur de l'ensemble précité moteur-génératrice est un moteur à courant continu tournant à vitesse constante et monté en série avec ladite ligne de transport à courant continu, une excitatrice reliee à un circuit. de commande assurant la rotation du moteur à vitesse constante. 8.- Système selon la revendication 6 ou 7,caractérise en ce que la génératrice de 11 ensemble précité motsur génératrice comporte un circuit régulateur de tension automatique pour maintenir nulle la puissance active normalement engendrée par la génératrice. 9.- Système selon la revendication 6,7 ou 8,caractérisé en ce qu'un circuit de filtrage des harmoniques engendrés par les moyens d'extraction et de conversion précités est branché sur la sortie de ladite génératrice. 10.- Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9,caractérisé en ce que les moyens générateurs de puissance réactive précités comportent un ensemble moteur-généPatrice à vitesse constante et en ce que les moyens de commande précités comportent un circuit comparateur de signaux représentatifs de la vitesse de rotation dudit ensemble moteur-genératrice et de signaux représentatifs de la puissance délivrée par la genera- trice,ledit circuit comparateur émettant des impulsions pour la commande sélective de chaque élément constituant les moyens d'extraction et de conversion précités. 11. Système selon la revendication 107caractérisé en ce qu 9 un circuit de mesure de la puissance de sortie de la génératrice est relié à un-circuit intégrateur pour alimenter le circuit eoaparateur précité en signaux représentatifs de ladite puissance. 12.- Système selon la revendication 10 ou 11scaracrsérisé en ce qu'un dispositif tachymétrique mesure la vitesse de ro- tation de l'ensemble moteur-génératrice et est relié à un circuit générateur de signaux en dents de scie pour lBalimen- tation du circuit comparateur précité en signaux représent2- tifs de ladite vitesse de rotation. 13.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est contenu dans une enceinte métallique,cette enceinte étant maintenue à la haute tension continue de ladite ligne de transport.