Brevet FR2935159A1 — publié le 20100226

B9043 1 SYSTÈME DE CONTRÔLE D'UNE TURBOMACHINE À PAIRE DE TURBINES HYDRAULIQUES JUMELLES Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbomachine hydraulique, et en particulier, une turbomachine hydraulique pour la récupération et la conversion d'énergie cinétique de courants marins ou fluviaux, notamment pour la fourniture d'électricité. Exposé de l'art antérieur Parmi les sources d'énergie naturelles non polluantes, une source d'énergie actuellement peu exploitée correspond aux courants d'eau naturellement présents sur la planète : courants de pleine mer, courants de marée, courants de détroit et d'estuaire, courants de fleuve ou de rivière. Les dispositifs de récupération et de conversion de l'énergie cinétique de courants marins ou fluviaux comprennent généralement une turbine comprenant un ensemble de pales adaptées à entraîner en rotation un arbre lorsqu'elles sont immergées dans le courant. On s'intéressera ici aux turbines à flux transverse pour lesquelles la direction du courant est généralement perpendiculaire, à l'axe de rotation de la turbine. Le fonctionnement de certaines turbines à flux trans- verse utilise les forces de portance exercées par le courant sur les pales qui ont alors, par exemple, un profil d'aile pour B9043 2 entraîner l'arbre de rotation. C'est le cas notamment de turbines à flux transverse du type Darrieus ou Gorlov ou encore de turbines du type de celles décrites dans la demande de brevet européen 1718863 déposée au nom du Demandeur. Une caractéristique générale des turbines hydrauliques est la présence d'une force de portance globale perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine et à la direction du courant amont. En effet, la rotation des pales autour de l'axe de rotation de la turbine considérée dans son ensemble, induit un mou- vement giratoire du liquide autour de la turbine qui se super-pose au mouvement incident perpendiculaire à l'axe de rotation. Il en résulte une force de portance globale qui s'exerce in fine sur l'axe de rotation de la turbine et qui est donc perpendiculaire à la direction du courant et à l'axe de rotation. Cette force de portance globale tend à varier autour d'une valeur moyenne. Les fluctuations observées autour de cette valeur moyenne se répètent périodiquement sur chaque rotation de 360° de la turbine. Le dispositif de maintien de la turbine et éventuellement le système d'ancrage de la turbine au sol doivent alors être conçus pour résister, en plus de la force de traînée, à la force de portance globale. En outre, la turbomachine dans son ensemble, c'est-à-dire incluant le système de conversion de l'énergie mécanique fournie par l'arbre de la turbine, doit supporter la fatigue produite par les vibrations induites par la force de portance globale variable. Pour pallier ces inconvénients, le Demandeur a proposé dans la demande de brevet français non publiée N° 07/58511 du 23 octobre 2007 (B8450), une turbomachine à flux transverse pour laquelle, en fonctionnement, la force de portance transverse globale appliquée au dispositif de maintien de la turbomachine est sensiblement nulle. Cette turbomachine comprend des première et deuxième turbines hydrauliques à flux transverse, symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan et tournant dans des sens opposés lorsqu'elles sont immergées dans un liquide en mauve- ment ; et un dispositif de maintien des première et deuxième B9043 3 turbines comprenant un ou plusieurs montants disposés symétriquement par rapport audit plan. Chaque turbine comprend un arbre de rotation et des pales reliées à cet arbre pour entraîner l'arbre en rotation lorsque les pales sont immergées dans un liquide en mouvement. Ces première et deuxième turbines seront appelées ici turbines jumelles. Cette demande de brevet français non publiée prévoit aussi un dispositif de commande adapté à maintenir égales (et opposées) les vitesses de rotation des première turbines et éventuellement un dispositif de commande méca- nique (à engrenages) adapté à maintenir symétriques les premières et les deuxièmes pales. Résumé de l'invention Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est d'assurer que deux tours jumelles tournent exacte- ment à la même vitesse et conservent une relation angulaire mutuelle constante. En d'autres termes, on souhaite synchroniser les deux tours en vitesse et en position angulaire. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de réaliser cette synchronisation de façon élec- trique sans couplage mécanique entre les tours jumelles. Ceci permet d'éviter l'utilisation d'un système mécanique encombrant à engrenages, non adaptatif et exigeant une maintenance régulière. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de réaliser cette synchronisation sans utiliser des machines électriques spécifiques imposant un couplage électrique direct entre elles et sans introduire de structures de commande intégrant des boucles supplémentaires de contrôle de chacune des positions angulaires. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu une turbomachine comprenant des première et deuxième turbines hydrauliques à flux transverse, symétriques, liées à un même dispositif de maintien et tournant en sens opposé quand elles sont immergées dans un liquide en mouvement ; une génératrice associée à l'arbre de chaque turbine ; et des B9043 4 moyens de régulation électrique de la puissance extraite de la deuxième génératrice pour assurer que l'arbre de la deuxième turbine tourne à la même vitesse dans une même relation de position angulaire déterminée par rapport à l'arbre de la première turbine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première génératrice est régulée pour tourner à une vitesse optimale en fonction du courant du liquide dans lequel la turbine est immergée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite relation de position angulaire est déterminée en fonction des conditions d'écoulement du liquide dans lequel la turbine est immergée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et deuxième génératrices comprennent une boucle de commande de vitesse agissant sur un bloc redresseur associé à la sortie de chacune des génératrices, la boucle de commande de vitesse de la première génératrice étant asservie sur une vitesse optimale calculée en fonction du courant, et la boucle de vitesse de la deuxième génératrice étant asservie sur la vitesse de la première génératrice corrigée par un signal d'erreur (2�QB) reflétant la différence de position angulaire entre les deux génératrices. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la boucle de correction de vitesse de la deuxième génératrice comprend un dispositif de mesure des différences entre les positions angulaires de chacune des turbines et une position de référence, et une comparaison entre ces deux positions angulaires, avec un décalage correspondant à la différence de posi- tions angulaires imposée, cette différence étant fournie par l'intermédiaire d'un filtre de boucle pour corriger le signal de vitesse appliqué à la première boucle de régulation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la turbomachine comprend un grand nombre de paires supplémen- taires de turbines hydrauliques, chaque turbine hydraulique des B9043 paires supplémentaires étant asservie de la même façon que la deuxième turbine. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 5 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A représente un exemple de turbine hydraulique et les figures 1B et 1C représentent de façon très schéma- tique une vue de face et une vue de dessus très simplifiées d'un exemple de tours hydrauliques jumelles ; la figure 2 est un schéma électrique de connexion de tours jumelles à un réseau ; la figure 3 est un schéma d'asservissement de tours 15 jumelles selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 4 représente un autre exemple de schéma électrique de connexion de tours jumelles à un réseau. Description détaillée 20 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. La figure 1A représente un exemple de réalisation d'une colonne turbine comprenant un assemblage de quatre turbines 1 d'axe commun. A titre d'exemple, un module turbine 1 comprend 25 un arbre de rotation 2 et un moyeu 3 fixé à l'arbre de rotation 2 et duquel se projettent des bras 4. Chaque bras 4 porte une aile (ou pale) 5 à son extrémité opposée au moyeu 3. Chaque aile 5, par exemple en forme de "V", peut comprendre des ailettes marginales 6 à ses extrémités. 30 On appelle tour l'ensemble constitué d'une colonne turbine et du dispositif de maintien de la colonne turbine. Des exemples de tours sont décrits dans la demande de brevet européen 06709514.1 déposée au nom du Demandeur. Comme l'illustrent schématiquement, en vue de face et 35 en vue de dessus, les figures 1B et 1C, on considère ici des B9043 6 tours jumelles dont les axes de rotation 2A, 2B sont sensible-ment parallèles et qui sont liées à un même bâti, schématisé par un montant 8. Chaque tour comprend sur un même arbre un empile-ment de turbines 1A, 1B et une génératrice 10A, 10B fournissant de l'énergie électrique sur des conducteurs 12A, 12B. Ces tours jumelles sont prévues pour tourner en sens inverse. Comme elles sont soumises à un même flux de liquide F, elles tournent naturellement sensiblement à la même vitesse. Ceci annule les deux forces de portance globales égales et opposées, perpendiculaire à la direction de l'écoulement, qui s'appliquent sur chacune des tours jumelles lorsqu'elles sont immergées dans un liquide en mouvement. La présente invention s'applique à tout type de turbine à flux transverse. A titre d'exemple, la présente invention s'applique à des turbines à flux transverse du type Darrieus, du type Gorlov (par exemple, les turbines décrites dans la publication "Helical Turbines for the Gulf Stream: Conceptual Approach to Design of a Large-Scale Floating Power Farm" de Gorlov (Marine Technology, vol. 35, N° 3, juillet 1998, pages 175-182), etc.) ou à des turbines du type de celles décrites dans la demande de brevet européen 1718863 déposée au nom du Demandeur. Comme l'illustre la figure 1C, on souhaite que les deux tours tournent exactement à la même vitesse et conservent une relation angulaire (oc) régulée et constante. En d'autres termes, on souhaite synchroniser les deux tours en vitesse et en position relative. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque tour d'un couple de tours jumelles est connectée au réseau par un convertisseur électronique de puissance. Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, la génératrice 10A d'une première tour et connectée par l'intermédiaire d'un pont redresseur commandé 14A à un bus continu 15A et la puissance sur ce bus continu est transférée par un onduleur 20A vers un bus alternatif 21 d'un réseau ou d'une charge 22. B9043 7 Le redresseur commandé 14A est représenté très schématiquement, en fait il s'agira d'un pont redresseur monophasé ou polyphasé selon la nature de la génératrice. L'interface continue 15A comprend deux conducteurs dont l'un est relié à la masse. Entre ces deux conducteurs, on trouve un dispositif de freinage 23 comprenant une résistance RA, cette résistance étant coituttutable pour assurer la fonction de freinage. Egalement, entre les conducteurs du bus continu, peut être disposé un système de stockage d'énergie 24A qui peut être connecté à l'autre borne du bus directement ou par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation de puissance 25A. Ces divers éléments d'un système redresseur/onduleur ne seront pas décrits en détail ici car ils sont connus en eux-mêmes. De même, les signaux de commande MLIA2 de l'onduleur 20A ne seront pas décrits ici car il s'agit de dispositifs clas- Biques destinés à transformer une tension continue en un signal alternatif de fréquence adaptée au bus alternatif 21 connecté au réseau ou à une charge. Le mode de commande dépendra du mode de connexion au réseau. La génératrice 10B est connectée au bus alternatif 21 20 par une chaîne similaire dont les éléments sont désignés avec le suffixe B au lieu de A. Un aspect fondamental de la présente invention réside dans les signaux MLIA1 et MLIA2 de commande des convertisseurs commandés 14A, 14B. 25 La figure 3 représente un schéma d'un mode de fourniture des signaux de commande MLIA1, MLIB1 des redresseurs commandés 14A, 14B des génératrices 10A, 10B de la figure 2. Selon l'invention, l'une des génératrices, par exemple la génératrice 10A est choisie comme système maître et l'autre 30 génératrice est choisie comme système esclave. La génératrice 10A est associée à une boucle de contrôle de vitesse qui reçoit une référence de vitesse d'un bloc de calcul de rotation 30. Le bloc 30 tient compte de la vitesse du courant hydraulique pour déterminer une vitesse optimale de rotation de la turbine. Il 35 s'agit par exemple d'un dispositif de recherche du point optimal B9043 8 de fonctionnement, couramment désigné par le sigle anglo-saxon MPPT (Maximum Power Point Tracking). Ainsi, le bloc 30 fournit une vitesse de référence SZA* à une entrée d'addition d'un soustracteur 31A dont l'entrée de soustraction reçoit un signal fourni par un bloc 32A de détection de la vitesse de rotation SZA de la génératrice 10A. Le soustracteur 31A fournit un signal d'erreur à un bloc de contrôle de vitesse 33A qui fournit un signal de référence pour le bloc redresseur commandé en courant 14A. Le signal de sortie iqGA* du bloc de contrôle de vitesse 33A est fourni à une entrée d'addition d'un soustracteur 34A dont l'entrée de soustraction reçoit un signal de mesure du courant iqGA effectivement fourni. Le signal d'erreur résultant est transformé en un signal de modulation de largeur d'impulsions dans un bloc de contrôle de courant 35A. Si la génératrice est une génératrice polyphasé, le bloc 35A calcule les signaux à appliquer aux diverses phases d'un pont redresseur polyphasé. La description qui précède a été faite relativement brièvement car il s'agit là d'un circuit classique de commande d'asservissement d'une génératrice sur une vitesse de rotation déterminée, le signal MLIA1 contrôlant la commutation du bloc de redressement commandé et donc le couple résistant à appliquer à la génératrice pour qu'elle maintienne constante sa vitesse de rotation. L'invention vise plus particulièrement la commande de la deuxième génératrice qui est commandée en mode esclave, d'une part, pour tourner à la même vitesse que la première génératrice et, d'autre part, pour présenter un décalage de position angulaire déterminé par rapport à cette première génératrice. De façon classique, une telle commande est effectuée en prévoyant d'une part une boucle de commande de vitesse et d'autre part une boucle de commande de position angulaire. Selon l'invention, on utilise seulement des boucles de commande de vitesse ce qui simplifie le montage et les réglages. Ainsi, à la génératrice 10B est associée une première boucle d'asservissement de vitesse similaire à la boucle décrite précédemment, B9043 9 comprenant des éléments de même nature 33B, 34B et 35B pour fournir un signal MLIB1 au bloc redresseur commandé 14B. A cette première boucle d'asservissement de vitesse est associée une boucle de correction de vitesse comprenant des éléments 40B, 41B, 42B fournissant un signal de correction de vitesse z B à une première entrée d'addition d'un additionneur 43B qui reçoit par ailleurs le signal de vitesse SZA de la première turbine. L'additionneur 43B fournit un signal SZB* qui est comparé au signal SZB de vitesse de la deuxième génératrice fourni par un circuit de détection et de calcul de vitesse 36B. La boucle de correction de vitesse est destinée à assurer une relation angulaire déterminée entre les deux génératrices. Cette boucle comprend un bloc 41B de comparaison des positions angulaires des deux turbines, susceptible de réagir rapidement à des signaux haute fréquence. Le bloc 41B compare l'angle 0A de la première turbine par rapport à un référentiel choisi à l'angle OB de la deuxième turbine par rapport au même référentiel, le signal OA étant préalablement additionné d'un angle î. L'angle î est l'écart que l'on veut imposer entre les positions angulaires des deux turbines. Ainsi, le bloc 41B fournit un signal qui, après passage dans un filtre de boucle 42B, constitue un signal de correction de vitesse A�13. Selon un aspect de la présente invention, il n'est pas prévu pour chacune des turbines plusieurs détecteurs, à savoir un détecteur de position et un détecteur de vitesse. Il est seu- lement prévu pour chaque turbine un détecteur de position angu- laire fournissant les positions angulaires OA et OB par rapport à une référence choisie. Ces détecteurs peuvent être utilisés, d'une part, pour fournir une indication au détecteur de positions angulaires 41B, d'autre part, pour des calculs de vitesse dans les blocs 33A et 33B. Les contrôleurs de vitesse 33A, 33B génèrent des consignes de courant actif image des couples électromagnétiques appliquées aux contrôleurs de courant 35A et 35B qui génèrent les signaux de commande MLI (modulation de largeur d'impulsion). La structure selon la présente inven- B9043 10 tion est particulièrement appropriée pour le besoin de synchroniser de manière rapide et précise sans utilisation de couplage mécanique des tours hydroliennes quelles que soient les conditions d'écoulement de l'eau à savoir aussi bien en régime lami- paire que dans un régime turbulent caractérisé par des variations rapides et imprévues de débit. Dans ce contexte, cette structure apporte une robustesse augmentée par rapport aux autres structures et procédés de synchronisation. Ceci ne constitue qu'un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. Notamment, les signaux de régulation selon la présente invention peuvent être appliqués à un système autre que celui représenté en figure 2. Par exemple, comme cela est représenté en figure 4, des génératrices 10A et 10B peuvent être couplées par les redresseurs 14A et 14B à un bus continu commun 15, connecté par l'intermédiaire d'un circuit électronique de puissance 24 à un circuit de stockage 25 et c'est l'énergie sur ce bus continu commun qui est transférée par un onduleur 20 à un réseau 22. On a décrit précédemment un exemple d'application au cas de deux tours hydrogénératrices jumelles. Toutefois la commande de coordination des angles de décalage relatifs peut être appliquée pour un nombre quelconque de tours hydrogénératrices à flux transverse avec une tour maître imposant sa référence de vitesse et de position aux autres tours esclaves. Les architectures présentées sont à base de machine synchrone, mais elles peuvent aussi être mises en place à base de machines à induction, avec prise en compte adaptée de leurs particularités. Les redresseurs commandés 14A, 14B peuvent être des structures à ponts polyphasés contrôlés par modulation de largeur d'impulsions (PWM) mettant en oeuvre des composants électroniques commandables ou des dispositifs mettant en oeuvre des structures à ponts de diodes polyphasés et hacheurs élévateurs de tension contrôlés par modulation de largeur d'impulsions. B9043 11 Les systèmes de contrôle ont pour but d'imposer des angles relatifs de décalage entre tours (avec ou sans MPPT), d'imposer des points de fonctionnement (à travers l'imposition des vitesses), et de gérer les transferts de puissance. Pour cela ils sont dotés d'un moyen de traitement de l'information de mesure en vue de la prise de décision et de la surveillance, un tel moyen étant classique pour l'homme de l'art du domaine des asservissements. Conditions d'exploitation Suivant les cas, le réseau 22 peut être soit un réseau puissant, soit un réseau faible (un microréseau ou un réseau isolé), soit une charge. Dans la situation où les machines sont munies de chaînes alternatif/alternatif individuelles quatre modes de 15 réglage se distinguent: a) cas d'un réseau puissant présent quand chaque onduleur côté réseau règle sa tension de bus continu et chaque redresseur impose le point de fonctionnement à la machine (couple, vitesse, décalage d'angle) (Fonctionnement (P,Q)) ; 20 b) cas d'un réseau faible quand le réglage se fait par statisme (Fonctionnement (P,Q)) ; c) cas d'un réseau isolé/microréseau quand une génératrice fonctionne en maître en réglant la tension du bus continu commun et que les autres sont commandées en statisme (Fonction- 25 nement (V, f)) ; d) cas où un élément de stockage est présent et le système de supervision impose les différentes références. Dans le cas où la puissance électrique fournie est injectée à un réseau non isolé le système de génération élec- 30 trique fonctionne en mode de fonctionnement (P,Q). L'onduleur côté réseau se charge de la régulation du bus continu en assurant le transfert des puissances active P et réactive Q. Les interfaces alternatif/continu des tours travaillent en régulation de vitesse en fixant le point de fonctionnement des tours 35 hydrogénératrices et en ayant comme étage supérieur la boucle de B9043 12 contrôle coordonné des tours qui génère les références de décalage entre les tours hydrogénératrices comme montré dans la figure 3. Dans ce mode de fonctionnement, il y a toujours un moyen de régler le réactif Q indépendamment de l'actif P dans la limite de la puissance apparente installée de l'onduleur réseau. En mode de fonctionnement (V,f) le système générateur hydrolien, comme il est présenté dans la figure 1, est connecté à un réseau faible/isolé ou à une charge. Dans ce cas de fonc- tionnement, sans stockage, une tour hydrogénératrice contrôle la tension du bus continu commun via son système de redressement et les autres tours hydrogénératrices fournissent de manière synchronisée le reliquat d'énergie nécessaire à ce bus (elles seront contrôlées en vitesse via leur système de redressement). Dans le cas d'un fonctionnement en mode (V,f) avec système de stockage, un système de supervision impose les références à chaque tour et à l'interface du stockage. Dans ce cas, la tour hydrogénératrice A est en charge de la régulation du bus continu. En supposant que la tour hydro- génératrice A s'occupe du contrôle du bus continu, alors l'autre tour hydrogénératrice sera commandée en vitesse aux points de fonctionnement correspondants aux angles de décalage imposés/modifiés entre les tours de sorte que le reliquat d'énergie nécessaire au bus continu soit fourni. REVENDICATIONS1. Turbomachine (10) comprenant : des première et deuxième turbines hydrauliques (1A, 1B) à flux transverse, symétriques, liées à un même dispositif de maintien et tournant en sens opposé quand elles sont immergées dans un liquide en mouvement ; une génératrice (10A, 10B) associée à l'arbre de chaque turbine ; et des moyens de régulation électrique de la puissance extraite de la deuxième génératrice pour assurer que l'arbre de la deuxième turbine tourne à la même vitesse dans une même relation de position angulaire déterminée par rapport à l'arbre de la première turbine. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle la première génératrice est régulée pour tourner à une vitesse optimale en fonction du courant du liquide dans lequel la turbine est immergée. 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite relation de position angulaire est déterminée en fonction des conditions d'écoulement du liquide dans lequel la turbine est immergée. 4. Turbomachine selon la revendication 2, dans laquelle les première et deuxième génératrices comprennent une boucle de commande de vitesse agissant sur un bloc redresseur (14A, 14B) associé à la sortie de chacune des génératrices, la boucle de commande de vitesse de la première génératrice étant asservie sur une vitesse optimale calculée en fonction du courant, et la boucle de vitesse de la deuxième génératrice étant asservie sur la vitesse de la première génératrice corrigée par un signal d'erreur (2�QB) reflétant la différence de position angulaire entre les deux génératrices. 5. Turbomachine selon la revendication 4, dans laquelle la boucle de correction de vitesse de la deuxième génératrice comprend un dispositif (41B) de mesure des différences entre les positions angulaires de chacune des turbines et une position deB9043 14 référence, et une comparaison entre ces deux positions angulaires, avec un décalage (a) correspondant à la différence de positions angulaires imposée, cette différence étant fournie par l'intermédiaire d'un filtre de boucle (42B) pour corriger le signal de vitesse appliqué à la première boucle de régulation. 6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un grand nombre de paires supplémentaires de turbines hydrauliques, chaque turbine hydraulique des paires supplémentaires étant asservie de la même façon que la deuxième turbine.