Brevet FR2561718A1 — publié le 19850927

Installation hydroélectrique de basse chute La présente invention se rapporte à une installation hydroélectri- que de basse chute destinée à fonctionner sous des hauteurs de chute ou de refoulement variables et pouvant descendre jusqu'à des valeurs très fai- bles, voisines de zéro, comme c'est par exemple le cas pour une installa- tion hydroélectrique équipant une usine marémotrice. On distingue de façon classique les centrales hydroélectriques de basse chute, du type centrales de rivières ou usines marémotrices, qui fonc- tionnent sous une hauteur de chute ou de refoulement comprise entre zéro et au maximum vingt mètres, et les centrales hydroélectriques de haute chute, du type centrales de barrages, qui fonctionnent sous des hauteurs de chute ou refoulement beaucoup plus élevées, fréquemment de l'ordre de plusieurs centaines de mètres. Pour certaines centrales de basse chute, en particulier pour les usines marémotrices, la chute peut varier dans de grandes proportions, mais chaque turbomachine, telle que turbine, turbine-pompe ou pompe, est calcu- lée et donc construite pour avoir le meilleur rendement au voisinage de la chute la plus fréquente, dite chute nominale. Pour les usines marémotrices par exemple, cette chute la plus fréquente, ou nominale, est de l'ordre de à 10 mètres. Malheureusement le rendement de ces turbomachines décroit très vite en decà de ces valeurs de chute, de sorte qu'en turbinage les chutes les plus basses, inférieures par exemple à la moitié ou au quart de la chute nominale, ne sont pas exploitées car elles ne sont pas assez renta- bles, et qu'en pompage on est conduit à consommer une puissance assez consi- dérable. En prenant, à titre d'exemple illustratif, le cas d'une usine ma- rémotrice o la hauteur de chute varie en turbinage de 7 à 1 mètres et en pompage de O à 2 mètres, on consomme environ 300 GWh en pompage alors qu'on en produit 430 en turbinage. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients, et donc de permettre une plus grande production en turbinage et une plus faible consommation en pompage, grâce à des moyens permettant d'augmenter considérablement le rendement de la turbomachine lorsque la chute devient inférieure à une fraction déterminée de la chute nominale. L'installation hydroélectrique de basse chute conforme à l'invention est du type comportant: - au moins une turbomachine hydraulique, turbine, turbine-pompe ou pompe, soumise à la chute et construite pour un rendement maximal à une hauteur de chute définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale de l'installation, et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau électrique, - au moins une machine électrique tournante, alternateur en turbinage et mo- teur en pompage, associée en entratnement avec ladite turbomachine et connectée électriquement au réseau, - des moyens de commande automatique, régulateur ou plus généralement auto- mate de conduite de l'installation, permettant de faire tourner ladite tur- bomachine à la vitesse de synchronisme, et elle est caractérisée en ce qu'elle est en outre équipée de moyens per- mettant, lorsque la hauteur de chute est inférieure à une fraction détermi- née de ladite hauteur nominale, en tous cas inférieure à la moitié de cette dernière, de faire tourner ladite turbomachine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en conséquence d'intercaler entre le ré- seau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nomi- nale. Par ces moyens, on accroit considérablement le rendement de l'ins- tallation pour les plus faibles hauteurs de chute uniquement, de sorte qu'il en résulte pour certaines applications une diminution considérable de la puissance consommée en pompage qui passe par exemple dans le cas illus- tratif évoqué précédemment, de 300 GWh environ à 200 GWH environ, et une augmentation appréciable de la puissance produite en turbinage, qui passe dans cet exemple de 430 GWh environ à 500 GWh environ. La puissance totale produite par cette usine marémotrice, citée pour fixer des ordres de gran- deur, passe donc, grâce aux moyens de l'invention, de 130 à 300 GWh. Bien évidemment, la réalisation de l'invention nécessite l'instal- lation d'un convertisseur de fréquences qui, s'il devait fonctionner pour toute la gamme de chute, serait à prohiber comme non rentable; il serait en effet d'un coût élevé pour pouvoir supporter de fortes puissances, et son rendement propre pourrait facilement chuter jusqu'à des valeurs de l'or- dre de quelques pour cent. En utilisant, conformément à l'invention, un convertisseur de fréquences uniquement pour les très basses chutes, et donc les faibles puissances, celui-ci peut être construit pour une puissance maximale bien plus faible; de plus, sa perte de rendement propre devenant alors négligeable par rapport au gain de rendement dû à la diminution de la vitesse de rotation de la turbomachine, son utilisation devient très renta- ble. Ceci ne vient pas naturellement à l'esprit, car l'homme de métier cal- culant une installation d'une certaine puissance nominale est normalement enclin à lui adjoindre un convertisseur de fréquences de même puissance, ce qui se révèle économiquement dissuasif comme on l'a montré précédemment. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivan- te d'un exemple de réalisation, destiné à une usine marémotrice, en référen- ce aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma-blocs de l'installation hydroélectrique de l'in- vention, - la figure 2 est un faisceau de courbes permettant de mettre en valeur le gain de rendement da à l'invention. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une turbine-pompe reliée mécaniquement par un arbre 2 à une machine électrique tournante 3, fonction- nant en alternateur en turbinage et en moteur synchrone en pompage. Lorsque la turbomachine I fonctionne en turbine, l'alternateur 3 a pour r8le de fournir de l'énergie électrique au réseau électrique de distribution 4. A contrario, pour que la turbomachine 1 fonctionne en pompe, le moteur syn- chrone 3 doit être alimenté en énergie électrique par le réseau 4. En régi- me classique, la machine électrique 3 est directement couplée au réseau, de sorte qu'elle tourne obligatoirement à la vitesse de synchronisme correspon- dant à la fréquence de celui-ci. L'automate ou ordinateur de conduite 5 de la centrale hydroélectrique possède donc une connexion 6 vers la turboma- chine 1 chargée de faire tourner celle-ci à la vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau électrique alternatif 4. De manière classique une turbine-pompe telle que 1 est calculée et construite pour fonctionner avec un rendement maximal, 90 % par exemple, pour la hauteur de chute nominale, par exemple neuf mètres. Pour cette chu- te nominale, elle fonctionne à puissance nominale, 17 MW dans l'exemple considéré par exemple. Pour les hauteurs de chute situées en deça de la chu- te nominale, le rendement de la turbine-pompe baisse très vite. Dans l'exem- ple considéré, lorsque la hauteur de chute baisse jusqu'à 2,5 mètres et que la puissance qui en dépend n'est alors plus que de 5 MW, le rendement de la turbomachine n'est plus que de l'ordre de 45 %. Le constructeur fournit classiquement, pour une installation don- née, un diagramme topographique des courbes d'égal rendement, dite "colline de rendement" par analogie avec les lignes isohypses d'une colline sur une carte topographique. Ces courbes sont tracées la plupart du temps en coor- données réduites donnant le débit dans la turbomachine ramené à une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute en fonction de sa vitesse de ro- tation ramenée également à une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute. L'examen de cette colline de rendement n'est a priori pas très en- courageant en ce qui concerne les centrales devant fonctionner sous des hau- teurs de chute variables, comme c'est le cas pour les usines marémotrices. On se rend compte en effet que le point de fonctionnement s'éloigne assez rapidement du coeur de la colline lorsque la chute baisse, et que le seul moyen de l'y ramener serait de baisser la vitesse de rotation de la turboma- chine, ce qui conduirait à devoir installer un convertisseur de fréquences entre la machine électrique tournante et le réseau, destiné à adapter la fréquence de fonctionnement de cette machine à la fréquence fixe du réseau. Or une étude rapide montre vite que le bilan économique résultant de l'ins- tallation d'un tel convertisseur de fréqences est prohibitif. Pour des puis- sances nominales élevées, 17 à 20 MW dans l'exemple considéré, un tel convertisseur est très onéreux, de sorte qu'il n'est pas rentable aux fai- bles puissances, et possède des pertes propres telles qu'au voisinage du coeur on ne pourrait visiblement pas apporter de gain de rendement substan- tiel. La demanderesse a trouvé qu'il était possible d'obtenir un bilan économique substantiellement positif en installant, entre la machine élec- trique 3 et le réseau 4, un convertisseur de fréquences 7 de faible puissan- ce maximale admissible, 5 MW par exemple dans l'exemple cité ci-dessus o la puissance nominale est de 17 MW, et en n'intercalant ce convertisseur, normalement hors-circuit, que lorsque la hauteur de chute devient inférieu- re à une faible fraction de la hauteur nominale, de l'ordre du quart de cel- le-ci par exemple. On peut alors, par l'automate de conduite 5, connexion 6, baisser la vitesse de rotation de la turbomachine de manière à en augmen- ter substantiellement le rendement, avantageusement en ramenant celui-ci près de son maximum, par exemple à 87 %. Corrélativement, l'automate de conduite 5 commande le convertisseur de fréquences 7 par la connexion 8 pour lui permettre d'adapter la fréquence imposée par la vitesse, alors ré- duite, de la machine électrique 3, à la fréquence du réseau 4. Sur la figure 1, le dispositif permettant d'intercaler le conver- tisseur de fréquences 7 est schématisé par deux commutateurs 9, 10 à deux positions, respectivement placés en amont et en aval du convertisseur 7, et par un interrupteur 11 permettant de court-circuiter ledit convertisseur. Ces trois contacteurs 9, 10, 1l sont commandés par l'automate de conduite , par les lignes schématisées en 12, 13, 14. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant: En turbinage tout d'abord, tant que la hauteur de chute reste supérieure a une valeur définie Hd, par exemple 2,5 mètres pour une hauteur de chute no- minale de 9 mètres, l'interrupteur 11 est ferme, les commutateurs 9 et 10 étant en position "2". Le convertisseur de fréquences 7 est courtcircuité et hors service. La turbine 1 tourne à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau et l'alternateur 3 débite directement sur le réseau 4. Lorsque la hauteur de chute devient égale ou inférieure à la va- leur Hd, dans ce cas 2,5 mètres, l'automate 5 commande l'ouverture de l'in- terrupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 en circuit entre l'alternateur 3 et le réseau 4; en même temps l'automate 5 commande, d'une part par la connexion 6 la vitesse de rotation de la turbine pour la faire baisser jus- qu'à une valeur, fonction de la chute, augmentant le rendement jusqu'à envi- ron 85 à 87 %, et d'autre part par la connexion 8, le convertisseur de fré- quences 7 pour qu'il fournisse en sortie une tension électrique de frêquen- ce égale à celle du réseau 4. En pompage maintenant, la hauteur de chute, dite alors hauteur de refoulement, est généralement nulle au départ et peut augmenter progressive- ment par la suite. Il faut tout d'abord démarrer la pompe 1. Pour ceci, l'automate 5 commande l'ouverture de l'interrupteur 11 et place les commutateurs 9 et 11 en position "1", ce qui intercale le convertisseur 7 entre le réseau 4 et le moteur synchrone 3. L'automate 5 commande alors, par la connexion 8, le convertisseur 7 pour lui faire appliquer au moteur 3 une tension de fréquen- ce progressivement croissante, 1 Hertz pour commencer, puis plusieurs Hertz au fur et à mesure que le moteur synchrone 3 commence à tourner. Le démarrage étant effectué, l'automate commande, par ses connexions 8 et 6, la vitesse de rotation de la pompe pour lui donner la va- leur qui, pour la hauteur de refoulement considérée, correspond au rende- ment maximal. Lorsque la hauteur de refoulement atteint la valeur Hd précêdem- ment définie, c'est-à-dire 2,5 mètres dans notre cas, il faut déconnecter le convertisseur 7 car il ne supporterait pas une plus grande puissance. L'automate 5 commande alors la montée en fréquence du convertisseur 7 de fa- çon à faire tourner le moteur 3 à la vitesse de synchronisme, puis la ferme- ture de l'interrupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 hors-circuit et couple le moteur 3 directement sur le réseau 4. Au-delà de la hauteur Hd, l'installation fonctionne donc comme une installation de pompage classique, à moteur synchrone 3 couplé au réseau 4, et à pompe hydraulique 1. On se reportera maintenant à la figure 2 o la demanderesse, pour mieux faire comprendre son invention, a tracé, en s'aidant de la colline de rendement de la turbomachine 1, un faisceau de courbes représentant, pour différentes vitesses n de rotation de la turbomachine 1, la variation du rendement 17, en pour cent, en fonction de la hauteur de chute H en mètres. La courbe 20 correspond au fonctionnement classique de la machine 1 sans le convertisseur 7, et pour la vitesse ns de synchronisme correspon- dant à un courant alternatif de 50 périodes. Elle montre un maximum de ren- dement, soit 90 %, pour la hauteur de chute nominale Hn, soit 9 mètres. La puissance fournie en turbine, ou consommée en pompe, qui comme on le sait dépend de la hauteur de chute H, est pour la hauteur nominale Hn, de 17 MW. De part et d'autre de la valeur nominale Hn, le rendement décrott très vite; il n'est plus que de 75 Z pour une chute de 11 mètres, o la puissan- ce est de 20 MW, et de 45 Z pour une chute de 2,5 mètres, o la puissance est de 5-MW. Pour une installation classique, on ne fera pas fonctionner la turbine pour une hauteur de chute trop basse, inférieure à 1,5 mètre par exemple, car l'on perd plus alors en coat d'exploitation que ce que l'on ga- gne en turbinage. La courbe 21 est la courbe correspondant à une hauteur de chute Hp de 7 mètres, d'environ 22 % inférieure à la chute nominale Hn, mais dans laquelle le rendement a été ramené à son maximum possible, soit 87 % dans cet exemple, par diminution appropriée de la vitesse de rotation de la tur- bine, qui est passée à la valeur np, correspondant à une fréquence de cou- rant alternatif d'environ 44 périodes par seconde, déterminée par la "colli- ne", dans notre exemple. En comparant avec la valeur du rendement à Hp don- née par la courbe 20, on voit que le fait de baisser la vitesse de ns à np ne fait passer le rendement que de 82 Z à 87 Z. Compte-tenu du coût élevé d'installation et d'exploitation d'un convertisseur de fréquences de forte puissance et des pertes propres d'un tel convertisseur, justement de l'or- dre de 5 Z%, un tel investissement n'apparatt bien évidemment pas rentable à l'exploitation du procédé pour ces hauteurs de chute assez proches de la chute nominale. Les courbes 22, 23, 24, 25, 26 sont analogues à la courbe 21, mais sont tracées pour des hauteurs de chute inférieures à Hd, soit 2,5 mè- tres, et pour les vitesses de rotation nl, n2, n3, etc..., correspondant dans chaque cas au maximum de rendement possible; ces valeurs, là encore déterminées par la "colline de rendement", correspondent respectivement à des fréquences en Hertz de 23, 20, 18, etc.... Ces courbes montrent de fa- çon frappante le gain de rendement important dû à la diminution adaptée de la vitesse de rotation. Par ailleurs, le coût de l'installation et d'exploi- tation d'un convertisseur de 5 MW au maximum, car devant fonctionner unique- ment en dessous de Id, est très inférieur à celui d'un convertisseur de 17 MW, de sorte que le bilan économique de l'opération s'évère très posi- tif. Dans l'installation hydroélectrique de l'invention, dans la z8ne entre 0 et Hd o le convertisseur (7, figure 1) est opérationnel, la courbe de fonctionnement est l'enveloppe des courbes 22, 23, 24, etc..., et est représentée en trait fort en 27. Le gain de rendement dû à l'invention est alors représenté par la z ne hachurée comprise entre la courbe 27 et la par- tie inférieure de la courbe 20. REVENDICATIONS 1.- Installation hydroélectrique de basse chute, du type compor- tant: - au moins une turbomachine hydraulique (1) construite pour un rendement op- timal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie (Hn), dite nomina- le, correspondant à une puissance nominale (Pn) de l'installation et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme (ns) avec la fréquence d'un réseau électrique (4), - au moins une machine électrique tournante (3) associée en entrainement à ladite turbomachine et connectée électriquement audit réseau, - des moyens de commande automatique (5) permettant, entre autres, de faire tourner ladite turbomachine à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau, caractérisée en ce qu'elle est en outre équipée de moyens (5, 9 à 11) per- mettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur (Hd) égale à une fraction déterminée de ladite hauteur nominale (Hn), en tous cas inférieure à la moitié de cette dernière, de faire tour- ner ladite turbomachine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de syn- chronisme, et en conséquence d'intercaler entre le réseau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences (7) de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale. 2.- Installation hydroélectrique de basse chute selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que ladite fraction déterminée de la hauteur nominale est de l'ordre du quart de cette dernière. 3.- Installation hydroélectrique de basse chute selon la revendi- cation 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens sont des moyens de commande automati- que faisant tourner, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement. devient inférieure à ladite valeur (Hd), ladite turbomachine à la vitesse donnant le rendement maximal pour cette turbomachine. 4.- Installation hydroélectrique de basse chute selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, du type selon lequel ladite turbomachine et ladite machine électrique sont des machines réversibles, turbine et al- ternateur en turbinage, pompe et moteur électrique en pompage, caractérisée en ce qu'elle utilise un seul et même dispositif adaptateur de fréquences (7) en turbinage et en pompage et en ce que lesdits moyens per- mettent, lorsque la hauteur de chute est inférieure à ladite valeur (Hd), de brancher en turbinage ledit dispositif adaptateur (7) entre l'alterna- teur (3) entrainé par la turbine (1) et le réseau électrique (4) qu'il ali- mente, et de brancher en pompage ce dispositif adaptateur (7) entre le ré- seau électrique d'alimentation (4) et le moteur électrique (3) entrainant la pompe (1).