Brevet FR3077849A1 — publié le 20190816

PROCEDE DE COMMANDE D'UNE CENTRALE HYDRAULIQUE L'invention concerne les centrales hydroélectriques d'accumulation par pompage, et en particulier l'utilisation de telles centrales lorsque leur turbine 5 entraine une génératrice pour alimenter un réseau électrique alternatif. Les machines hydrauliques incluent généralement une pompe-turbine réversible utilisée soit en pompage, soit en génération électrique. La vitesse de rotation de cette pompe-turbine réversible doit de préférence être adaptée aux propriétés de l'écoulement d'eau la traversant, afin de présenter un rendement 10 d'utilisation optimal et afin d'éviter des phénomènes néfastes tels que la cavitation. La plupart des machines hydrauliques, durant la génération électrique vers un réseau électrique alternatif, tournent à une vitesse synchrone avec la fréquence du réseau à alimenter. Pour les pompas-turbines réversibles en mode 15 génératrice, cette vitesse synchrone diffère généralement de la vitesse de rotation optimale définie par les propriétés hydrauliques. Les turbines ne fonctionnent donc généralement pas avec un rendement optimal en génération électrique. Afin de permettre une adaptation optimale de la fréquence de rotation de la turbine lors de la génération d'électricité vers un réseau électrique alternatif, 20 des conceptions de centrales hydrauliques proposent désormais des technologies telles que la DFAM (pour double fed asynchronous machine en langue anglaise, pour une machine asynchrone à double alimentation) ou la FFSM (pour fully fed synchronous machine en langue anglaise, pour une machine synchrone à alimentation complète). Ces technologies permettent 25 d'utiliser la turbine en génération à une fréquence différente de celle du réseau électrique à alimenter. La turbine est alors utilisée à des points de fonctionnement statiques avec une vitesse de rotation appropriée. Le rendement de production électrique et la durée de vie de la turbine peuvent ainsi être améliorés. Avec le développement de la production d'électricité par énergies 30 renouvelables, les sources d'énergie renouvelables connectées au réseau ont un fonctionnement potentiellement intermittent, pouvant conduire à des interruptions temporaires et subites de la production d'électricité. De plus, de telles sources d'énergie renouvelable abaissent l'inertie du réseau électrique alternatif et donc sa stabilité. Une compensation rapide de la baisse de production d'électricité doit 35 alors être effectuée lors d'une interruption temporaire d'une ou plusieurs sources d'énergie renouvelable, afin d'éviter de déstabiliser le réseau alternatif. Le document 'Optimisation des stratégies de réglage d'une installation de pompage-turbinage à vitesse variable' par Yves Pannatier, a proposé d'utiliser l'effet de roue libre des turbines de centrales hydrauliques, pour obtenir un 40 accroissement de la puissance électrique fournie au réseau avec une grande ICG011213 FR Irreg Texte.docx 2 dynamique. Lorsque la turbine de la centrale hydraulique n'est pas utilisée à pleine charge en génération, un tel effet de roue libre est utilisable pour obtenir un accroissement très rapide de la puissance électrique générée. L'utilisation de l'effet de roue libre d'une turbine consiste à effectuer un appel d'énergie électrique sur la génératrice entraînée par la turbine, pour bénéficier de l'énergie mécanique stockée sous forme d'énergie cinétique par la vitesse de rotation de la turbine. L'appel d'énergie électrique induit une baisse de la vitesse de rotation de la turbine, rendue possible par les technologies d'adaptation de vitesse de rotation. La stabilité de la turbine, en particulier une turbine de type Francis, peut être affectée par sa vitesse de rotation. Ainsi, si la vitesse de rotation de la turbine passe en dessous d'une vitesse critique, la stabilité de la turbine peut être remise en cause, il peut alors s'avérer impossible de réaccélérer la vitesse de rotation de la turbine. Afin de prévenir un problème de stabilité, des protections de la turbine déconnectent la génératrice du réseau électrique lorsque 1e problème est détecté. L'interruption de génération électrique par une centrale hydraulique supposée apporter une compensation rapide de production d'électricité peut conduire à un effet en cascade, aboutissant à un effondrement du réseau électrique. Afin d'éviter de déclencher les protections de la turbine, une vitesse de rotation minimale de la turbine est définie. L'accroissement de production 20 d'énergie électrique est interrompu dès que la turbine atteint cette vitesse de rotation minimale. La vitesse de rotation minimale est déterminée par un dimensionnement de la turbine à un point de fonctionnement statique prédéfini. La vitesse de rotation minimale choisie limite les possibilités d'accroissement temporaire de la production d'énergie électrique par la centrale 25 hydraulique. L'augmentation de puissance électrique par la centrale hydraulique peut donc s'avérer insuffisante pour apporter la contribution attendue, l'interruption de production subite d'une ou plusieurs sources d'énergie renouvelable pouvant s'avérer non compensée. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. 30 L'invention porte ainsi sur un procédé de commande d'une centrale hydraulique comportant une turbine à vitesse variable entraînant une génératrice électrique, une structure de conversion connectée à ladite génératrice d'une part et à un réseau électrique d'autre part, comprenant les étapes de : -disposer d'une loi de vitesse de rotation caractéristique minimale de la turbine 35 en fonction d'une puissance mécanique caractéristique délivrée par la turbine ; -faire fonctionner la centrale hydraulique avec une valeur initiale de consigne de puissance électrique à fournir au réseau électrique ; -récupérer une valeur de hauteur d'eau en entrée de la turbine ; ICG011213 FR Irreg Texte.docx 3 -récupérer une nouvelle valeur de consigne de puissance électrique supérieure à la valeur initiale; -transformer la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique en puissance mécanique caractéristique à délivrer ; 5 -à partir de ladite loi, pour ladite puissance mécanique caractéristique à délivrer, déterminer la vitesse de rotation minimale nuit de la turbine ; -commander la centrale hydraulique pour délivrer une puissance électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique et pour maintenir la vitesse de rotation de la turbine au-dessus de la vitesse de 10 rotation minimale déterminée nuit. L'invention porte également sur les variantes suivantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire. 15 Selon une variante, ladite étape de commande de la centrale hydraulique pour délivrer une puissance électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique comprend l'application de consignes successives de puissance électrique croissantes entre la valeur initiale de consigne de puissance électrique et ladite nouvelle valeur de consigne de puissance électrique Selon encore une variante, le procédé de commande comprend : -la transformation des consignes de puissance électrique successives en consignes de puissance mécanique caractéristique successives ; -à partir de ladite loi, pour chacune des consignes de puissance mécanique caractéristique, déterminer la vitesse de rotation minimale correspondante de la turbine. Selon encore une variante, la structure de conversion étant configurée pour convertir une tension alternative générée par la génératrice en une tension alternative présentant une fréquence différente de celle générée par la génératrice ou en une tension continue, le procédé comprenant en outre les étapes de : -recevoir une nouvelle valeur de puissance électrique à fournir au réseau électrique ; -convertir ladite nouvelle valeur de puissance électrique à fournir en une nouvelle valeur de consigne de puissance mécanique Pch ; -transformer la nouvelle valeur de consigne de puissance mécanique Pch en ladite puissance mécanique caractéristique à délivrer. Selon une autre variante, la centrale hydraulique est commandée pour délivrer une puissance électrique Pes au réseau électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique Pec et pour maintenir la vitesse ICG011213 FR Irreg Texte.docx 4 de rotation de la turbine au-dessus d'une vitesse de rotation de sécurité ns, avec ns > nuit. Selon encore une variante, le procédé comprend les étaped de : -a) récupérer la vitesse de rotation instantanée n de la turbine ; 5 -b) Si ns > n > nuit, commander la centrale hydraulique avec une consigne de puissance électrique Pec = Pes* (n- nerii)/( ns - ncrii) ; -c) répéter les étapes a) et b). Selon une variante, le procédé de commande comprend les étapes de : -récupérer la vitesse maximale RoCoP de variation de puissance mécanique 10 Pm de la turbine, avec RoCoP=dPm/dt ; -récupérer l'inertie Ht de la masse incluant la turbine et la génératrice ; -calculer une quantité d'énergie cinétique Wec disponible par effet de roue libre, avec Wec = Ht * (noprinir2- nerir2), avec nopiinir la vitesse pour la valeur initiale de consigne de_puissance électrique à fournir au réseau électrique. 15 Selon une autre variante, le procédé de commande comprend les étapes de -déterminer une valeur initiale de consigne de puissance mécanique Pmecainit correspondant à la valeur initiale de puissance électrique à fournir au réseau électrique ; 20 -Si Wreq > Wec, avec Wreq = (Pch-Pmecainit)2/(2*RoCoP), calculer une valeur de puissance mécanique Rinn vérifiant Rinn nuit (par exemple us =1,05 * nuit), de façon à conserver une marge de sécurité par rapport à la vitesse de rotation critique nuit. 35 À l'étape 114, la régulation du circuit hydraulique 3 peut également être réalisée pour faire fonctionner celui-ci à son rendement optimal après que la puissance mécanique a atteint la valeur de la puissance mécanique Poil. En effet, une fois cette puissance mécanique établie, il est intéressant de stabiliser le circuit hydraulique 3 pour qu'elle fonctionne à son rendement optimal. ICG011213 FR Irreg Texte.docx 13 Les valeurs nopt et nuit peuvent être fournies au circuit de commande de la centrale hydraulique 1 pour son contrôle en temps réel. Lors d'une requête d'augmentation de puissance électrique reçue du 5 réseau 4, le procédé de commande de la centrale hydraulique peut être mis en oeuvre suivant la boucle suivante : a) recevoir la puissance électrique souhaitée Pes ; b) récupérer la valeur de la hauteur d'eau à l'entrée de la turbine 300; c) calculer la vitesse de rotation critique nuit de la turbine 300 pour la 10 puissance Pes; d) déterminer la vitesse de rotation de sécurité ns de la turbine 300; e) récupérer la valeur de la vitesse de rotation n de la turbine 300; f) déterminer si n ?_ns ; g) si n kns, définir Pec=Pes ; 15 h) si n Wec, on peut calculer une valeur de puissance mécanique Piim vérifiant Puni Wec, comme détaillé précédemment. Si 25 ce n'est pas le cas, Pch peut être utilisée comme puissance mécanique de consigne à l'étape 122. Si Wreq > Wec, on met en oeuvre l'étape 121 : on calcule la valeur de puissance mécanique Piim vérifiant Piim REVENDICATIONSI. Procédé de commande d'une centrale hydraulique (1) comportant une turbine à vitesse variable (300) entraînant une génératrice électrique (210), une structure de conversion (220,230,240) connectée à ladite génératrice (210) d'une part et à un réseau électrique (4) d'autre part, comprenant les étapes de -disposer d'une loi de vitesse de rotation caractéristique minimale de la turbine en fonction d'une puissance mécanique caractéristique délivrée par la turbine ; -faire fonctionner la centrale hydraulique avec une valeur initiale de consigne de puissance électrique à fournir au réseau électrique ; -récupérer une valeur de hauteur d'eau en entrée de la turbine (300) ; -récupérer une nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) supérieure à la valeur initiale; -transformer la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) en puissance mécanique caractéristique (P11) à délivrer ; -à partir de ladite loi, pour ladite puissance mécanique caractéristique à délivrer (P11), déterminer la vitesse de rotation minimale nuit de la turbine (300) ; -commander la centrale hydraulique (1) pour délivrer une puissance électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) et pour maintenir la vitesse de rotation de la turbine (300) au-dessus de la vitesse de rotation minimale déterminée nuit. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de commande de la centrale hydraulique (1) pour délivrer une puissance électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) comprend l'application de consignes successives de puissance électrique croissantes entre la valeur initiale de consigne de puissance électrique et ladite nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) 3. Procédé de commande selon la revendication 2, comprenant : -la transformation des consignes de puissance électrique successives en consignes de puissance mécanique caractéristique successives ; -à partir de ladite loi, pour chacune des consignes de puissance mécanique caractéristique, déterminer la vitesse de rotation minimale correspondante de la turbine (300). 4. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, la structure de conversion étant configurée pour convertir une tension alternative générée par la génératrice en une tension alternative ICG011213 FR Irreg Texte.docx 25 présentant une fréquence différente de celle générée par la génératrice ou en une tension continue, le procédé comprenant en outre les étapes de : -recevoir une nouvelle valeur de puissance électrique (Pes) à fournir au réseau électrique ; 5 -convertir ladite nouvelle valeur de puissance électrique (Pes) à fournir en une nouvelle valeur de consigne de puissance mécanique Pch ; -transformer la nouvelle valeur de consigne de puissance mécanique Pch en ladite puissance mécanique caractéristique (P11) à délivrer. 10 5. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la centrale hydraulique (1) est commandée pour délivrer une puissance électrique Pes au réseau électrique égale à la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique Pec et pour maintenir la vitesse de rotation de la turbine (300) au-dessus d'une vitesse de rotation de sécurité ns, 15 avec ns > nuit. 6. Procédé de commande selon la revendication 5, comprenant les étapes de : -a) récupérer la vitesse de rotation instantanée n de la turbine (300) ; -b) si ns > n > nuit, commander la centrale hydraulique (1) avec une consigne 20 de puissance électrique Pec = Pes* (n- ncrii)/( ns - ncrii) ; -c) répéter les étapes a) et b). 7. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de : 25 -récupérer la vitesse maximale RoCoP de variation de puissance mécanique Pm de la turbine (300), avec RoCoP=dPm/dt ; -récupérer l'inertie Ht de la masse incluant la turbine (300) et la génératrice (220) ; -calculer une quantité d'énergie cinétique Wec disponible par effet de roue libre, 30 avec Wec = Ht * (nopiine- ncrii2), avec noptinii la vitesse pour la valeur initiale de consigne de puissance électrique à fournir au réseau électrique. 8. Procédé de commande selon les revendications 4 et 7, comprenant les étapes de : 35 -déterminer une valeur initiale de consigne de puissance mécanique P . mecainit correspondant à la valeur initiale de puissance électrique à fournir au réseau électrique ; -Si Wreq > Wec, avec Wreq = (Pch-Pmecainii)1(2*RoCoP), calculer une valeur de puissance mécanique Piim vérifiant Plim 9. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite centrale hydraulique (1) commandée inclut une structure de conversion (220,230,240) de type FFSM incluant un premier convertisseur alternatif/continu (220) connecté audit moteur électrique (210). 10 10. Procédé de commande selon les revendications 4 et 9, dans lequel ladite centrale hydraulique (1) est commandée en mode de commande de puissance active en appliquant la nouvelle valeur de puissance électrique (Pes) à fournir au réseau électrique sur un circuit de commande du premier convertisseur 13 alternatif/continu (220). 11. Procédé de commande selon les revendications 4 et 9, dans lequel ladite centrale hydraulique (1) est commandée en mode de commande basé sur une tension continue dans la structure de conversion, en appliquant une consigne 20 pour ladite tension continue sur un circuit de commande du premier convertisseur alternatif/continu (220). 12.Procédé de commande selon les revendications 4 et 9, dans lequel ladite centrale hydraulique (1) est commandée en mode de commande basé sur la 25 vitesse de rotation de la turbine, en appliquant une consigne pour ladite vitesse de rotation de la turbine sur un circuit de commande du premier convertisseur alternatif/continu (220). 13. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel : -une baisse de fréquence est déterminée sur ledit réseau électrique (4) ; - la nouvelle valeur de consigne de puissance électrique (Pec) est définie de sorte que la vitesse de rotation de la turbine (300) diminue proportionnellement à la baisse de fréquence déterminée. 35 ICG011213 FR h-reg Texte.docx