Brevet FR2628857A1 — publié le 19890922

) RÉPUBLIQUE FRAN AISE - N de publication: 2 628 857 (à n'utihliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉ;TÉ INDUSTRIELLE DE LA PROPRITÉ INDUSTRIELLE NO d'enregistrement national: 88 03555 PARIS ( Int Cl4: G 05 B.17/02, 11/36, 15/02. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ) Date de dépôt 18 mars 1988. t Demandeur(s): ELECTRICITE DE FRANCE, Service na- tional. - FR. Q Priorité ( Inventeur(s) Daniel Simonnot; Jean-Marie Maujean. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. ( Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: (r Titulaire(s) a Mandataire(s): Cabinet Plasseraud. _ Procédé et dispositif de simulation appliqués à un réseau électrique isolé. Procédé et dispositif de simulation de la réponse à une /8 modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé 2 alimenté par un turbo-alternateur 1, 3. hydraulique selon lequel on maintient connecté ledit turbo-al- ' ternateur à un réseau général 15 à fréquence stable, on 5 mesure en permanence la puissance électrique fournie au réseau général par le turbo-alternateur 1, 3 et on injecte le 2. signal de mesure obtenue dans un calculateur 21 programmé r-i ' 1 pour présenter la réponse fréquence du réseau électrique isolé 25 24 F-r. par rapport à la puissance fournie et appliquer aux organes de L. x:2, régulation 6 de la turbine un signal représentatif de ladite 23i..... 2 22...\ 23 I fréquence calculée par le calculateur 21 pour le réseau isolé simulé, en substitution à la commande normale. Ln N V0 VO EL D Vente des fascicules t rlMPRiMERIE NATIONALE. 27. rue de la Convention --75732 PARIS CEDEX 15 i-' Procédé et dispositif de simulation appliqués à un réseau électrique isolé La présente invention concerne un procédé et un dispositif de simulation de la réponse en fréquence à une modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé alimenté par un turbo- alternateur hydraulique et donc, ce qui revient au même, de la puissance électrique fournie à ce même réseau électrique isolé par le turboalternateur, puisque la puissance fournie au réseau et la puissance consommée par le réseau sont égales. Par réseau électrique isolé il faut entendre un réseau électrique qui, lorsqu'il est alimenté par le turbo-alternateur hydraulique seul ou couplé avec d'autres groupes, consomme une puissance électrique nominale non négligeable par rapport à la puissance électrique générée par ledit turbo-alternateur hydrau- lique, c'est-à-dire au moins supérieure à de l'ordre de 20% de cette puissance. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine de la simulation des réponses d'un réseau électrique de consommateurs dont la puissance électrique nominale susceptible d'être appelée est comprise entre 50 et 80% de celle du turbo-alternateur amené à débiter inciden- tellement sur ce réseau de consommateurs selon un mode de fonctionnement "réseau isolé". De façon connue, une turbine hydraulique cons- titue un système comportant trois paramètres d'entrée: une hauteur de chute nette, une ouverture du vannage d'alimentation en eau ou admission, en général commandée par un régulateur, et une vitesse de rotation de la turbine en nombre de tours par unité de temps, et deux paramètres de sortie: le débit de la turbine et la puissance obtenue sur l'arbre de la turbine. Le débit de la turbine détermine la hauteur de chute nette en tonction du système d'adduction d'eau existant. La puissance sur l'arbre détermine la vitesse de la turbine en fonction de l'énergie dissipée par le réseau alimenté (alternateur inclus). Tout se passe en fait comme si la turbine entraînait un tambour de freinage doté d'inertie au lieu d'alimenter le réseau, le couple de freinage dudit tambour dépendant de la vitesse de la turbine et fournissant une représentation du coefficient d'auto-réglage du réseau ainsi simulé, c'est-à-dire de la variation de la puissance dissipée dans le réseau en fonction de la fréquence générée par la turbine. Dans le cas d'une.-turbine alimentant un réseau électrique que l'on veut maintenir à une fréquence stable, il faut prévoir un régulateur commandant l'ouverture de l'alimentation en eau à partir de la vi- tesse de la turbine et de l'évolution de cette vitesse; Dans le cas général, le réseau électrique alimenté par la turbine comporte d'autres générateurs que le turbo- alternateur concerné et a donc un coefficient d'auto- règlage important. Autrement dit, lorsque la puissance de la turbine varie, même de façon significative, chaque partie passive du réseau s'en trouve peu affectée. Par contre, il n'en est plus de même si une partie passive du réseau est amenée à fonctionner en réseau "isolé" sur une turbine hydraulique. Dans ce cas, c'est, plus que jamais, du bon fonctionnement du régulateur que dépend la stabilité du réseau passif car c'est ce régulateur qui permet de minimiser les variations de fréquence engendrées par des variations dans la charge soutirée par ledit réseau. C'est un schéma rare puisque on s'arrange dans la pratique pour que toutes les parties du réseau général ne fonctionnent justement pas en réseau isolé. Cela ne peut cependant être évité en cas d'incident par suite de délestage. Il faut alors être certain que le système de régulation va réagir correctement et n'entraîne pas l'écroulement de l'ali- mentation dudit réseau devenu "réseau isolé". Les méthodes connues permettant de règler et de vérifier le bon fonctionnement d'un régulateur de tur- bine connecté sur un réseau isolé ne sont pas satis- faisantes. En fait, on ne connaît surtout que deux méthodes qui présentent chacune plusieurs inconvénients. La première méthode consiste à effectuer des essais en réel. Elle demande une longue préparation du réseau, pose des problèmes de sécurité et présente le risque d'une défaillance de l'alimentation du réseau "cobaye" lors des essais, au détriment des consommateurs. La deuxième méthode, permettant de tester la chaine de régulation, la turbine et le réseau isolé associé, consiste à faire une simulation par modèle numérique. Un modèle numérique peut simuler des installations très complexes o l'évolution des phénomènes est calculée pas à pas avec un pas de temps pouvant être très réduit, par exemple de l'ordre de 50 ms. Une telle simulation est possible puisque les relations physiques qui traduisent le fonctionnement de chaque organe sont bien connues. Cependant, il est nécessaire de faire des simplifica- tions qui faussent partiellement la représentativité des résultats par modèle numérique. Par exemple, on va considérer l'alternateur comme transparent vis-à-vis de la puissance de la turbine fournie au réseau dans une boucle de règlage en ordre normal de marche. Le modèle numérique ne va donc pas pouvoir simuler les oscil- lations pendulaires du rotor et ses conséquences possibles sur la stabilité. Notamment, une interférence de la régulation de tension avec la régulation de vitesse, facteur qui peut désorganiser sérieusement le règlage, ne va pas pouvoir être décelée et prise en compte. En résumé, le risque représenté par des essais en réel et les imperfections inhérentes à une simulation * par modèle numérique ne permettent pas de simuler ou d'apprécier de façon satisfaisante les réponses à une modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé alimenté par un turbo-alterna- teur hydraulique. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de simulation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils évitent les erreurs et simpli- fications d'une simulation par modélisation numérique et les risques rencontrés lors d'essais réalisés en réel. Les limites de stabilité et les paramètres optimaux permettant le bon fonctionnement d'un réseau couplé à un turbo-alternateur lorsqu'il sera amené éventuellement à fonctionner en réseau isolé sur cette turbine, peuvent ainsi être déterminés de façon fiable et en toute sécurité. Le procédé et le dispositif de l'invention sont très simples à mettre en oeuvre et permettent une simulation dont on voit les résultats immédiatement, in situ, sans besoin d'un personnel particulièrement qualifié, et qui peut être arrêtée à tout moment si la simulation montre une défaillance. Grâce à la présente invention, on peut donc facilement effectuer la maintenance des groupes en vérifiant périodiquement et en validant les réactions des régulations des groupes susceptibles de fonctionner incidemment en réseau isolé. Grâce au dispositif de l'invention il n'est pas nécessaire de simuler le régulateur, ni la turbine, ni les adductions d'eau puisqu'on les utilise en réel, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas o on ne dispose pas des caractéristiques précises de ces derniers. On peut également vérifier avec une partie des organes réels les résultats obtenus en utilisant un modèle de simulation numérique complet, ce qui permet par exemple de valider ledit modèle. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé de simulation de la réponse en fréquence à une modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé alimenté par un turbo-alterna- teur hydraulique, caractérisé en ce qu'on maintient connecté ledit turbo alternateur à un réseau général à fréquence stable, on mesure en permanence la puissance électrique fournie au réseau général par le turbo- alternateur et on injecte le signal de mesure obtenu dans un calculateur programmé pour présenter la réponse fréquence du réseau électrique isolé par rapport à la puissance fournie et appliquer aux organes de régulation de la turbine un signal représentatif de ladite fré- quence calculée par le calculateur pour le réseau isolé simulé, en substitution à la commande normale. Autrement dit, on calcule la fréquence fictive. qui résulterait de l'application de la puissance mesurée à un réseau isolé fictif de même caractéristiques que le réseau réel simulé et on applique cette fréquence fic- tive aux organes de régulation, en substitution à la commande normale. La réponse en fréquence à une modifi- cation de la puissance électrique consommée par le réseau électrique isolé alimenté par le turbo-alterna- teur, autrement dit fournie audit réseau isolé par ledit turbo-alternateur, est ainsi simulée. Le maintien de la connexion du turbo-alternateur au réseau général à fréquence stable permet de façon simple d'évacuer la puissance fournie par le groupe. L'invention propose également un dispositif de simlation de la réponse à une modification de la puis- sance électrique consommée par un réseau électrique isolé alimenté par un turbo-alternateur hydraulique, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de puissance électrique relié à un calculateur programmé pour présenter en sortie une réponse fréquence du réseau électrique isolé par rapport à la puissance mesurée et des moyens de génération dans 1-es organes de régulation de la turbine d'un signal représentatif de la valeur obtenue à ladite sortie, lesdits moyens étant reliés au calculateur d'un côté et aux organes de régulation de l'autre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la.' figure 1 est un schéma synoptique montrant une boucle classique constituée par une turbine hydrau- lique, sa chaîne de règlage et un réseau utilisateur, - la figure 2 montre un dispositif de simulation selon l'invention connecté à une turbine hydraulique et sa chaîne de réglage. La figure 1 montre schématiquement une boucle comportant une turbine hydraulique 1 actionnant un arbre 2 faisant tourner un rotor 3 couplé à un réseau 4 four- nissant en 5 une information de vitesse à la chaîne de règlage 6 commandant l'ouverture du vannage d'alimenta- tion en eau de la turbine 1. Les valeurs de consigne de la chaîne de régulation ou de règlage sont introduites en 7. La turbine comporte un réseau d'adduction 8 et constitue un système à trois entrées: la hauteur de chute nette ou entrée 9 élaborée par l'adduction, l'ouverture du vannage d'alimentation en eau de la turbine ou entrée 10 commandée par la chaîne de régulation 6 et la vitesse ou entrée 11 déterminée par le réseau. La turbine comporte par ailleurs deux sorties, le débit de la turbine ou sortie 12 qui conditionne la hauteur de chute nette via l'adduction 8 et la puissance fournie à l'arbre 2 ou sortie 13 de la turbine. En négligeant les pertes dues à l'alternateur, le réseau 4 (inertie rotorique incluse) élabore la vitesse 11 à partir de la puissance 13 qu'on lui injecte. Un réseau se caractérise en général par deux paramètres: - son propre effet de volant, c'est-à-dire son temps de lancer T, dont l'ordre de grandeur, qui peut être par exemple une dizaine- de secondes pour un réseau "isolé", est assez indépendant de la taille du réseau et proche de celui des machines. Le réseau est en effet assimilé à une machine tournante. Le temps de lancer est donné par la formule: X= I x W avec n vitesse angulaire de la machine équivalente, I: inertie du réseau et W: puissance motrice - son coefficient d'auto-réglage R représentant la variation relative de la puissance motrice par rapport à la variation relative de la fréquence du courant du réseau: R = dW df La figure 2 montre, en pointillé,' un mode de réalisation avantageux du dispositif 14 de simulation de l'invention, appliqué à un turbo- alternateur 1, 3 muni de sa chaîne de régulation 6, et connecté à -un réseau général 15. Ce dispositif comporte un capteur ou transducteur de puissance électrique 20 relié à un calculateur 21 programmé pour présenter en sortie 22 une réponse fréquence d'un réseau électrique isolé simulé par le progrmme en fonction d'un signal représentatif de la puissance fournie délivrée par le capteur 20 à l'entrée 23 du calculateur. Le dispositif 14 comporte de plus des moyens 24 de génération dans les organes de régulation 6 de la turbine 1 d'un signal représentatif de la valeur obtenue à la sortie 22. Les moyens 24 sont reliés au calculateur 21 d'"un côté et au régulateur de l'autre, par exemple par l'intermédiaire d'un dispositif 25 de commutation permettant de rebasculer facilement et à tout moment vers le capteur normal du réseau général pendant et après les essais. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, le dispositif comporte de plus des moyens d'élaboration 26 d'une correction de la puissance fournie par le turbo- alternateur en fonction de la fréquence obtenue pour le réseau isolé. Ces moyens permettent d'éliminer la distorsion due à la stabilisa- tion de la vitesse de la turbine par le réseau général sur lequel le turbo-alternateur 1, 3 est maintenu connecté pendant toute la durée de l'essai afin d'éva- cuer la puissance fournie par le groupe. Ces moyens 26 peuvent être ramenés à une simple série d'instructions inclues dans l'algorithme du programme de simulation du réseau isolé contenu par le calculateur. Par ailleurs, le couplage de l'alternateur au réseau général donne lieu, lors des transitoires brutaux, à des oscillations pendulaires du rotor dans le champ statorique alimenté par le réseau, phénomène qui n'existe pas dans le cas d'un alternateur alimentant seul un réseau passif. Les oscillations amorties qui en résultent sur la puissance électrique peuvent perturber le fonctionnement de la chaîne de réglage. Il est donc également avantageux de-prévoir de corriger la puissance électrique injectée dans le calculateur par le terme suivant (faisant intervenir l'inertie du système): MD2 dn 4 dt : vitesse angulaire de la machine mesurée directement, par exemple par le biais de l'angle interne de la turbine. D: diamètre du rotor M: masse du rotor Des moyens 27 permettant cette correction sont alors prévus, par exemple sous forme d'instructions supplémentaires dans le programme du calculateur 21. On va maintenant décrire ci-après le procédé de simulation de l'invention. Le procédé de simulation de la réponse à une modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé prédéterminé, défini par ses paramètres d'auto-réglage et de temps de lancer, alimen- té par un turbo-alternateur hydraulique, est caractérisé en ce qu'on maintient connecté le turbo-alternateur 1, 3 à un réseau général 15 à fréquence stable, par exemple Hz en France, on mesure en permanence la puissance électrique Wturbo fournie en 13 au réseau général 15 par le turbo-alternateur et ce par l'intermédiaire d'un capteur 20 connu en soi et on injecte le signal de mesure obtenu en 23, dans un calculateur 21 programmé pour présenter la réponse fréquence du réseau électrique isolé par rapport à la puissance fournie. On applique ensuite aux organes de régulation 6 de la turbine et via des organes d'interface 24 un signal représentatif de la fréquence calculée par le calculateur pour le réseau isolé simulé. On voit que le groupe turbo-alternateur 1, 3 débite sur le réseau général à fréquence constante, ce qui permet de dissiper la puissance qui, mesurée et injectée dans le calculateur programmé à partir des deux paramètres fondamentaux (coefficient d'auto-réglage et temps de lancer) du réseau isolé permet de calculer l'évolution de la vitesse de la turbine, qu'on suppose débiter sur ledit réseau isolé. Le régulateur sollicité par.'la fréquence du réseau fictif agit sur l'organe d'admission ou d'ouverture via les moyens 24 transformant la vitesse calculée en un signal lisible par la chaine de réglage. Il en résulte ainsi une variation de puissance image de la variation de fréquence calculée. En mesurant en permanence la puissance électrique fournie au réseau général, on peut ainsi voir l'évolution du système et en particulier ceci permet d'observer directement et entre autres: - Le domaine de stabilité du couple réseau isolé fictif et turbo-alternateur au regard des paramètres de régulation affichés en modifiant le règlage des actions PID du régulateur. - La réponse de ce couple pour des valeurs prédéterminées des paramètres du réseau (programmées dans le calculateur) ou de la consigne. Les non linéa- rités observées (par exemple accroissement du gain de la chaine de règlage avec l'amplitude, suivie d'une saturation) illustrent directement l'influence des paramètres et de leur modification. - Les fonctions de transfert des éléments de la chaîne de règlage dans le cas o la programmation du calculateur injecte dans le système un réseau variable, par exemple selon un régime harmonique. Le procédé de l'invention permet ainsi de chercher expérimentalement les limites de stabilité du système ou couple réseau isolé/turbo-alternateur et sa chaîne de régulation, de déterminer les paramètres optimaux de fonctionnement et de vérifier le comporte- ment d'ensemble du système pour d'autres caractéris- tiques du réseau isolé. On peut ensuite régler les actions proportionnelles intégrales et dérivées (PID) des organes de régulation de la turbine de façon à préparer le couple réseau/turbo-alternateur à réagir correctement en cas d'incident, c'est-à-dire dans les limites d'une stabilité assurant une sécurité suffisante aux usagers. Le calculateur, programmé pour présenter la réponse fréquence par rapport à la puissance fournie au zéseau électrique isolé, utilise la formule suivante donnant l'évolution de la vitesse de la machine: dN - t0b - Wr 1 + R () / / \ Wturb r [ + (.. / dtri No 1 avec N: vitesse du groupe turboalternateur calculée pour le réseau isolé (fictif) No: vitesse nominale du groupe Wr: puissance nominale consommée par le réseau isolé, à 50 Hz R: coefficient d'autorèglage du réseau isolé I: moment d'inertie totale = I + Ir groupe réseau isolé o groupe = MD2 /4 )2 Iréseau = T Wr 2fINo rr Tr temps de lancer du réseau isolé Wturb: puissance turbine En première approximation Wturb est pris égal à la puissance Walt débitée par l'alternateur sur le réseau général, mesurée généralement par capteur analogique (fournissant un signal de sortie en 4-20 mA par exemple). Il convient toutefois de prévoir la possibilité d'apporter deux corrections à cette puissance: - Une correction A1 due aux oscillations pendulaires du rotor, initiées par une variation rapide de charge. Un mesureur d'angle interne Y (en radian) permet d'élaborer cette correction 352rid 1 =60 Igroupe No =t- - Une correction A2 due à la sensibilité de la puissance de la turbine aux variations de la vitesse de rotation. Dans un essai en réel, la vitesse à une influence (faible) sur la puissance de la turbine. Cette influence est masquée dans l'essai sur réseau isolé fictif puisque la machine est couplée au réseau général. A2 = (W) (N-No) aN Finalement, on utilise avantageusement dans le programme de calcul du réseau fictif la formule: w - "turb Walt. - + A2 La vitesse calculée N(t) est ensuite transformée en signal périodique de fréquence proportionnelle à la vitesse f = 50 (N-) et de puissance compatible avec les No entrées tachymétriques du régulateur 6. En résumé, le rôle du réseau fictif (fonction de transfert puissance/fréquence) est joué par le calcula- trnfr teur 21, 26, 27 travaillant en temps réel à partir de l'information numérique élaborée par le mesureur de puissance 20. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux dispositifs plus spécifiquement envisagés mais en couvre toutes les variantes rentrant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Procédé de simulation de la réponse à une modification de la puissance électrique consommée par un réseau électrique isolé (2) alimenté par un turbo-alternateur (1, 3) hydraulique, caractérisé en ce qu'on maintient connecté ledit turbo-alternateur à un réseau général (15) à fréquence stable, on mesure en permanence la puissance électrique fournie au réseau général par le turbo-alternateur (1, 3) et on injecte le signal de mesure obtenu dans un calculateur (21) programmé pour présenter la réponse fréquence du réseau électrique isolé par rapport à la puissance fournie et appliquer aux organes de régulation (6) de la turbine un signal représentatif de ladite fréquence calculée par le calculateur (21) pour le réseau isolé simulé, en substitution à la commande normale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on calcule la fréquence du réseau électrique isolé simulé en réponse à une puissance fournie au dit réseau à partir de la puissance nominale Wr du réseau isolé à 50 Hz, du coefficient d'auto-règlage R et du temps de lancer T dudit réseau isolé, et du moment r d'inertie Igroupe du turbo alternateur. 3. Procédé selon l'une quelconque dés revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on modifie le réglage des actions proportionnelle,intégrale et dérivée des organes de régulation (6) de la turbine (1) de façon à rechercher les limites de stabilité en fréquence du réseau électrique isolé simulé. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on corrige la puissance fournie par le turbo-alternateur (1, 3) en fonction de la fréquence obtenue pour le réseau isolé, de sorte qu'on élimine la distorsion due à la stabilisation de la vitesse de la turbine par le réseau général (15). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on corrige la puissance électrique fournie au réseau isolé en tenant compte de la vitesse angulaire n de la turbine. (1,.3). 6. Dispositif de simulation de la réponse en fréquence à une modification de la puissance électrique fournie à un réseau électrique isolé alimenté par un turbo alternateur hydraulique (1, 3), caractérisé en 'ce qu'il comporte un capteur de puissance électrique (20) relié à un calculateur (21) programmé pour présenter en sortie une réponse fréquence du réseau électrique isolé par rapport à la puissance mesurée et des moyens de génération (24) dans les organes de régulation (6) de la turbine (1) d'un signal représentatif de la valeur obtenue à ladite sortie, lesdits moyens (24) étant reliés au calculateur (21) d'un côté et aux organes de régulation (6) de-l'autre. 7. Dispositif de simulation selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens (27) de mesure de la vitesse angulaire de la turbine et de génération d'un signal représentatif de cette vitesse pour le calculateur. 1/1 FIG.1. 5. Io 1t1 t 3 FIG.2. 8 6 14 26,,,. t ---1 -J '___'/-I 2/ 1