Brevet FR2841302A1 — publié le 20031226

L'invention a trait à un procédé de démarrage d'une turbine hydraulique et à une installation hydroélectrique comprenant des moyens de mise en #uvre d'un tel procédé. Dans le domaine de la production d'énergie électrique à partir d'une turbine mécanique entraînant un alternateur, il est connu que le couplage entre l'alternateur et le réseau électrique aval doit être effectué après stabilisation de la vitesse de rotation de l'alternateur à une vitesse correspondant à la fréquence du courant dans le réseau. A partir d'une turbine à l'arrêt, il convient donc d'amener l'ensemble tournant à la fréquence du réseau. Or, les turbines ont des comportements qui varient en fonction de la hauteur de la chute d'eau de l'installation. Jusqu'à présent, il est connu d'utiliser une gamme d'ouvertures successives prédéfinies des volets de contrôle de l'écoulement d'eau en direction de la turbine, en présupposant que ces ouvertures successives permettront une accélération de la turbine jusqu'à la vitesse souhaitée. En fait, ces ouvertures prédéfinies ne permettent pas de tenir compte de la hauteur de chute et conduisent le plus souvent soit à une sur-vitesse, soit à une vitesse pas assez élevée de la turbine. En cas de sur-vitesse, il est nécessaire d'attendre un long moment avant que la turbine ne décélère jusqu'au niveau de vitesse satisfaisant, car la turbine tourne à vide , puisque l'alternateur n'est pas raccordé au réseau. Si la vitesse n'est pas assez importante, il peut être nécessaire de recommencer complètement la séquence de démarrage. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention, en proposant un nouveau procédé de démarrage d'une turbine hydraulique qui assure une bonne reproductibilité de la séquence de démarrage et l'obtention systématique d'une vitesse de rotation permettant la synchronisation de l'alternateur avec la fréquence du réseau électrique à alimenter. Dans cet esprit, l'invention concerne un procédé de démarrage d'une turbine hydraulique dans une installation hydroélectrique caractérisé en ce qu'il consiste à asservir, à chaque instant pendant la phase de démarrage, la vitesse de rotation de la turbine à une courbe de valeurs de référence pour cette vitesse, en fonction du temps. Grâce à l'invention, la progression de la vitesse a lieu avec un contrôle en boucle fermée, ce qui permet d'obtenir une précision et une reproductibilité sensiblement plus importantes que dans les méthodes dans lesquelles l'évolution en vitesse de la turbine n'est que la conséquence des ouvertures successives des volets d'alimentation. L'invention prend le contre-pied des habitudes des spécialistes du domaine technique des installations hydroélectriques, dans la mesure où il était jusqu'à présent considéré qu'on ne pouvait pas mesurer, avec une précision suffisante, la vitesse de rotation d'une turbine dans une gamme de vitesses sensiblement plus faibles que la vitesse nominale de rotation de cette turbine. L'invention permet également d'éviter les à-coups générés lors de régimes transitoires entre des ouvertures successives et prédéterminées des volets d'alimentation, en tenant compte du fait que les pressions admissibles par la turbine sont limitées par les contraintes hydrauliques. Selon une premier mode de réalisation avantageux de l'invention, les valeurs de vitesse de la courbe de référence peuvent s'exprimer, en fonction du temps, sous la forme de : - Vref (t) = ept avant un premier instant prédéterminé. - Vref(t) - kt après ce premier instant et avant un second instant prédéterminé. - Vref(t) = VN(l-eqt) après le second instant prédéterminé où t est le temps écoulé depuis le début du démarrage, p, k et q sont des constantes et VN est la vitesse nominale de la turbine recherchée au terme de la phase de démarrage. Selon un autre mode de réalisation, les valeurs de vitesse de la courbe de référence peuvent s'exprimer, en fonction du temps, par interpolation entre plusieurs points correspondant à des valeurs prédéterminées de vitesse, à des instants prédéterminés. De façon avantageuse, on utilise la même courbe de référence tout au long de l'année, indépendamment des saisons ou de la hauteur de chute de l'installation. En particulier, cette courbe de référence peut être déterminée en considérant la capacité d'accélération intrinsèque de la machine dans ses conditions d'utilisation les plus défavorables, c'est-à-dire en général sous la hauteur de chute prévisible minimale de l'installation. L'invention concerne également une installation hydroélectrique comprenant une turbine entraînant un alternateur destiné à être couplé à un réseau électrique, dans laquelle peut être mis en #uvre le procédé précédemment décrit. Cette installation comprend : - des moyens de stockage et/ou de calculs de valeurs de référence, en fonction du temps, de la vitesse de la turbine pendant sa phase de démarrage ; - des moyens de mesure de la vitesse de cette turbine sur sensiblement toute sa plage de vitesses jusqu'à sa vitesse nominale ; - des moyens de comparaison, à un instant donné, de la vitesse mesurée et de la valeur de référence correspondante et - des moyens de commande, en fonction d'un signal de sortie émis par les moyens de comparaison, d'organes de contrôle de l'écoulement d'eau vers la turbine. De façon avantageuse, les moyens de comparaison sont intégrés à un régulateur numérique de la vitesse de rotation de la turbine en régime établi. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'une installation hydroélectrique et d'un procédé de démarrage d'une turbine conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une coupe de principe d'une installation hydroélectrique incorporant une turbine Kaplan et conforme à l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique du procédé d'asservissement mis en #uvre dans l'installation de la figure 1 ; - la figure 3 est une représentation d'une courbe de référence utilisée dans le procédé de la figure 2 et - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, pour une variante de courbe de référence. L'installation représentée à la figure 1 comprend une turbine 1 de type Kaplan apte à tourner autour d'un axe ZZ' globalement vertical. La turbine 1 est disposée dans un conduit 2 d'écoulement d'eau en provenance d'une retenue amont. L'écoulement est représenté par les flèches E à la figure 1. Des directrices 3 sont prévues dans le conduit 2, en amont de la turbine 1, et permettent de réguler l'écoulement E. Ces directrices sont chacune commandées par un servo-positionneur 31, lui-même relié à une unité de commande 4. Un capteur 5 permet de détecter la vitesse de rotation de la turbine 1 entre une vitesse nulle et 2 fois la vitesse nominale de rotation de la turbine. Il est également relié à l' unité 4. Le dispositif de mesure de la vitesse de rotation peut être constitué d'une roue dentée rigidement liée à l'arbre de la turbine et associée à un capteur électronique de proximité qui mesure l'intervalle de temps qui s'écoule entre la détection de deux dents consécutives de la roue. Si la roue comporte n dents et si l'intervalle de temps détecté est de t secondes, la vitesse de rotation mesurée est v(tr/s)=l/n*t. La turbine 1 comprend un moyeu 11 et quatre pales 12 dont trois sont visibles à la figure 1. Le moyeu 11 comprend une partie 13 globalement en forme de tronçon de sphère et une partie 14 formant arbre et permettant de transmettre à un alternateur, non représenté, le couple généré par l'écoulement E au niveau de la turbine 1. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 2, un régulateur de vitesse 101 est prévu dans l' unité 4 pour commander les servo-positionneurs 31 qui actionnent les directrices 3, ce qui influe sur la vitesse de rotation de la turbine 1, cette vitesse étant détectée par le capteur 5 et fournie en entrée, sous la forme d'un signal V, au régulateur 101. Un modèle de référence 102 fournit également au régulateur 101 des valeurs de consigne Vref pour la vitesse V, le régulateur fournissant aux servo-positionneurs 31, un signal S1 tel que la valeur V soit en permanence, pendant toute la phase de démarrage, la plus proche possible de la valeur Vref du modèle. Pour ce faire, le régulateur 101 fonctionne en comparateur des valeurs Vref et V. La valeur Vref du modèle est donnée par une courbe Ci plus particulièrement visible à la figure 3 et définissant, sur un intervalle de temps #t correspondant à la phase de démarrage, les valeurs de consigne de la vitesse de rotation de la turbine. Dans l'exemple représenté à la figure 3, la courbe Ci peut être divisée en trois parties, à savoir une partie correspondant au démarrage jusqu'à un premier instant tl, une seconde partie correspondant au démarrage entre l'instant t1 et un autre instant t2 et une partie correspondant au démarrage après l'instant t2. On note At la durée totale du démarrage à partir d'un instant to. Entre le début du démarrage, à un instant to, et l'instant tl, la vitesse de référence Vref a une valeur égale à ept où p est une constante et t le temps écoulé depuis l' instant to. Entre les instants ti et t2, la vitesse de référence suit une progression linéaire et a une valeur égale à kp où k est une constante. Après l'instant t2 et jusqu'à la fin de la phase de démarrage, la vitesse de référence a la valeur Vref égale à VN(1-eqt) où VN est la vitesse nominale de la turbine qu'on cherche à obtenir à la fin de l'étape de démarrage et où q est une constante. Comme représenté en pointillés à la figure 3, la valeur de la vitesse réelle V est maintenue par le régulateur 101 au plus près de la courbe Cijusqu'au terme de l'étape de démarrage où la vitesse VN est atteinte. Grâce à l'invention, la régulation en vitesse du fonctionnement de la turbine 1 garantit que la vitesse VN est atteinte, indépendamment de la hauteur de la chute alimentant la turbine 1. Pour ce faire, la courbe Ci est définie en tenant compte des conditions les plus défavorables pour l'alimentation de la turbine 1, à savoir une hauteur de chute prévisible minimale, ce qui permet d'utiliser la même courbe Ci tout au long de l'année. Comme représenté à la figure 4, une courbe C'1, peut être mise au point selon laquelle la vitesse de référence en fonction du temps est définie par interpolation entre des points remarquables P1, P2, P3,P4, P5, P6 et P7 correspondant chacun à une valeur V1 à V7 de la vitesse Vref pour des instants tl à t7. A la place d'une interpolation linéaire, on peut envisager une interpolation quadratique ou par d'autres méthodes. L'invention a été représentée avec une installation comprenant une turbine de type Kaplan. Elle est applicable avec d'autres types de turbine, tout particulièrement les turbines Francis ou à bulbe, qui sont également susceptibles de travailler sous des hauteurs de chute très variables. 1. Procédé de démarrage d'une turbine électrique dans une installation hydroélectrique, caractérisé en ce qu'il consiste à asservir (en 101), à chaque instant (t) pendant la phase de démarrage (At), la vitesse de rotation (V) de ladite turbine à une courbe (Ci ; CI) de valeurs de référence (Vref) de ladite vitesse 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de vitesse de ladite courbe de référence (Ci) s'expriment, en fonction du temps, sous la forme : Vref (t) = ept, avant un premier instant (t1) prédéterminé (totti) ; Vref(t) = kt, après ledit premier instant (t1) et avant un second instant (t2) prédéterminé (t1 Vref(t) = VN(l-eqt), après ledit second instant prédéterminé (t2 (tO), p, k et q sont des constantes et VN est la vitesse nominale de la turbine recherchée au terme de la phase de démarrage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de vitesse de ladite courbe de référence (C'i) s'expriment, en fonction du temps, par interpolation entre plusieurs points (Pl-P7) correspondant à des valeurs prédéterminées (Vl-V7) de vitesse, à des instants prédéterminés (tl-t7) - 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser la même courbe de référence (Ci ; C'i) tout au long de l'année, indépendamment des saisons ou de la hauteur de chute de l'installation. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite courbe de référence (Ci ; CI,) est déterminée en tenant compte de la hauteur de chute prévisible minimale de l'installation. 6. Installation hydroélectrique comprenant une turbine entraînant un alternateur destiné à être couplé à un réseau électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend : - des moyens (102) de stockage et/ou de calcul de valeurs de référence (Vref), en fonction du temps, de la vitesse de ladite turbine (1) pendant sa phase de démarrage (At); - des moyens (5) de mesure de la vitesse de ladite turbine sur sensiblement toute sa plage de vitesse jusqu'à sa vitesse nominale (VN) ; - des moyens (101) de comparaison, à un instant (t) donné, de la vitesse mesurée (V) et de la valeur de référence (Vref) correspondante et - des moyens (31) de commande, en fonction d'un signal de sortie (Si) émis par lesdits moyens de comparaison, d'organes de contrôle (3) de l'écoulement d'eau (E) vers ladite turbine. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de comparaison sont intégrés à un régulateur numérique (101) de la vitesse de rotation (V) de ladite turbine (1) en régime établi.