FR2741116A1 - Systeme de generation d'energie hydroelectrique et procede et interface pour transmettre cette energie a un reseau utilisateur - Google Patents

Abstract

Ce système (20) de génération d'énergie hydroélectrique génère une énergie électrique pour un système (72) d'utilisation électrique. Un dispositif de commande (42) obtient un niveau de puissance électrique de sortie demandée à partir d'un groupe à turbine hydraulique (70) en utilisant un signal indicatif d'une colonne d'eau (hmeas ) pour commander la vitesse d'un convertisseur rotatif asynchrone (50) couplé à la turbine hydraulique et pour commander la position de vanne de la turbine hydraulique. Le niveau de puissance demandé est appliqué à partir de la turbine hydraulique par l'intermédiaire du convertisseur rotatif au système d'utilisation. Dans un mode de réalisation le dispositif de commande (42B) accède à une mémoire pouvant être remise à jour dans lequel sont stockées des informations du Diagramme de Hill.

Description

Système de génération d'énergie hydroélectrique et procédé et
interface pour transmettre cette énergie à un réseau utilisateur.

La présente invention concerne la génération d'énergie hydroélectrique et elle a trait, en particulier, à un procédé et à un appareil pour améliorer les performances d'un système de génération d'énergie hydroélectrique.

Plus précisément, l'invention concerne : un système de génération hydroélectrique qui génère une énergie ou puissance électrique destinée à un système d'utilisation; un procédé pour transmettre cette énergie ou puissance au système d'utilisation; et une interface pour le couplage entre ce système de génération hydroélectrique et le système d'utilisation.

Dans la production d'énergie électrique faisant appel à l'utilisation de turbines hydrauliques, des groupes à turbine hydraulique sont logés dans un barrage, l'eau (par exemple l'eau d'un fleuve ou d'un lac) s'écoulant à travers le barrage étant utilisée pour entraîner (par exemple faire tourner) le groupe à turbine hydraulique. Ainsi entraîné, le groupe à turbine hydraulique présente une vitesse d'arbre qui est proportionnelle à la fréquence de l'énergie électrique de sortie produite par le groupe à turbine hydraulique. De façon typique, le groupe à turbine hydraulique est une machine synchrone, ce qui veut dire que la vitesse moyenne de fonctionnement normal du groupe à turbine hydraulique est exactement proportionnelle à la fréquence du système d'utilisation électrique auquel le groupe est connecté.

La production d'énergie électrique faisant appel à l'utilisation de turbines hydrauliques pose des questions d'écologie et de technique complexes. Par exemple, si un groupe à turbine hydraulique fonctionne à une vitesse constante, divers problèmes peuvent se poser. Par exemple, la turbine peut être le siège de cavitation aux charges élevée et faible (par exemple aux débits d'eau élevé et faible). De plus, les variations de pression créées par les aubes de turbine d'un groupe à turbine hydraulique peuvent blesser les poissons traversant la turbine. Par ailleurs, les groupes à turbine hydraulique fonctionnant à une vitesse constante sont sujets à de nombreuses limitations, comprenant une aptitude réduite à une modification de la fréquence du système de production d'énergie, un ajustement lent de la puissance active, un rendement de turbine plus faible que le rendement optimal, et une plage réduite de gestion de la puissance active (qui, par suite, restreint les plages de variations du système de génération d'énergie, de la colonne d'eau et du débit)
Du fait que le groupe à turbine hydraulique est une machine synchrone, le ralentissement de la vitesse de l'arbre de la turbine réduit également la fréquence synchrone de la sortie de cette turbine. Une réduction de la fréquence synchrone de la sortie du groupe à turbine hydraulique est inacceptable quand la sortie du groupe à turbine hydraulique est directement couplée au réseau d'utilisation.

Divers efforts ont été faits pour obtenir une turbine hydraulique à vitesse variable. Selon un de ces efforts décrits par Goto et al., dans le document intitulé "Power System Stabilizing Control By Adjustable Speed Pumped
Storage Power Station Using Stabilizing Signals", CIGRE
Symposium Tokyo 1995, on modifie la génératrice hydraulique principale de manière à appliquer un courant à fréquence variable à l'enroulement inducteur par l'intermédiaire d'un système d'excitation du type à cycloconvertisseur ou convertisseur rotatif.

Le brevet U.S. 4 743 827 décrit une turbine hydraulique à vitesse variable dans laquelle on effectue la commande en utilisant des mesures de puissance et de vitesse de la génératrice hydraulique principale dans une configuration en boucle fermée. Un fonctionnement en boucle fermée soulève, par exemple, des questions de stabilité dynamique (au moins pendant un bref laps de temps après une demande de variation de puissance).

Par conséquent, ce dont on a besoin est un système de turbine hydraulique à vitesse variable qui est efficace et stable.

Un système de génération d'énergie hydroélectrique génère une énergie ou courant électrique destiné à un système d'utilisation électrique. Le système de génération d'énergie hydroélectrique comprend un groupe à turbine hydraulique qui est entraîné de manière à générer un courant électrique de sortie de turbine hydraulique. Un convertisseur rotatif asynchrone est couplé de manière à recevoir le courant électrique de sortie de la turbine hydraulique et est commandé par un dispositif de commande de manière à fournir au système d'utilisation électrique un niveau de puissance électrique de sortie de convertisseur demandé.

Dans un des modes de réalisation, le dispositif de commande utilise un signal indicatif d'une colonne d'eau (hmeas) pour commander la vitesse du convertisseur rotatif (et, par voie de conséquence, le groupe à turbine hydraulique) ainsi que la position de vanne du groupe à turbine hydraulique pour fournir au système d'utilisation le niveau de puissance de sortie de convertisseur demandé.

Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de commande comprend aussi un régulateur automatique en temps réel qui utilise un signal indicatif d'une fréquence de transmission envoyée au système d'utilisation électrique pour commander le niveau de puissance électrique de sortie du convertisseur rotatif.

La commande de la vitesse du groupe à turbine hydraulique à vitesse variable implique l'utilisation du signal indicatif de colonne d'eau pour accéder à une mémoire pouvant être remise à jour et dans laquelle sont stockées des informations relatives au Diagramme de Hill Hydraulique.

A cette fin, dans un des modes de réalisation, un dispositif de remise à jour de Diagramme de Hill est présent.

Selon la présente invention le procédé pour transmettre l'énergie électrique depuis un groupe à turbine hydraulique jusqu'à un système d'utilisation électrique, comprend
l'obtention d'un signal indicatif d'une colonne d'eau; et
l'utilisation du signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne d'un groupe à turbine hydraulique à vitesse variable afin de fournir au système d'utilisation électrique un niveau de puissance demandée.

De plus, selon une caractéristique supplémentaire, dans ce procédé la commande de la vitesse du groupe à turbine hydraulique à vitesse variable implique l'utilisation du signal indicatif de la colonne d'eau pour accéder à une mémoire dans laquelle sont stockées des informations relatives au Diagramme Hydraulique de Hill.

L'interface selon la présente invention pour coupler un groupe à turbine hydraulique au réseau d'utilisation électrique, selon le procédé susvisé comprend
un convertisseur rotatif couplé au groupe à turbine hydraulique pour recevoir l'énergie électrique de sortie générée par le groupe à turbine hydraulique;
un dispositif de commande qui commande le convertisseur rotatif de manière que soit obtenu, à partir du groupe à turbine hydraulique, pour le réseau d'utilisation, un niveau d'énergie électrique de sortie, ce dispositif de commande utilisant un signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne du groupe à turbine hydraulique de manière à fournir au secteur électrique le niveau de puissance demandée.

Dans cette interface le convertisseur rotatif peut comprendre
un rotor et un stator dont un de ceux-ci est connecté de manière à recevoir l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique et dont l'autre est connecté de manière que l'énergie électrique de sortie du convertisseur en soit extraite;
un actionneur pour faire tourner le rotor;
le dispositif de commande étant sensible aux signaux servant à commander l'actionneur, grâce à quoi le rotor est entraîné en rotation de façon bidirectionnelle à une vitesse variable.

D'une façon générale, le système de génération d'énergie hydroélectrique qui génère une énergie électrique destinée à un système d'utilisation électrique, dans la mise en oeuvre du procédé de la présente invention comprend
un groupe à turbine hydraulique qui est entraîné par un courant d'eau pour générer une énergie électrique de sortie de turbine hydraulique;
un convertisseur rotatif couplé de manière à recevoir l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique;
un dispositif de commande qui commande le convertisseur rotatif de manière que soit obtenu à partir du groupe à turbine hydraulique un niveau demandé d'énergie électrique de sortie de convertisseur, le dispositif de commande utilisant un signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne du groupe à turbine hydraulique afin de fournir au système d'utilisation le niveau de puissance de sortie demandée.

Dans ce système, en outre, le convertisseur rotatif est couplé à la turbine hydraulique de telle sorte que la fréquence de courant alternatif du convertisseur rotatif soit proportionnelle à la vitesse de rotation de la turbine hydraulique.

Dans ce système, en outre, le convertisseur rotatif comprend
un rotor et un stator dont un de ceux-ci est couplé au groupe à turbine hydraulique et dont l'autre est couplé au système d'utilisation électrique; et
un dispositif de commande qui tient compte de la fréquence de courant alternatif de l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique pour générer un signal destiné à commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

En outre, le dispositif de commande comprend
un transducteur de fréquence qui surveille la fréquence de courant alternatif du système d'utilisation électrique et génère un signal fac indicatif de cette fréquence; et
un moyen destiné à utiliser le signal fac généré par le transducteur de fréquence pour modifier un signal Wgo indicatif d'une vitesse de rotation demandée du groupe à turbine hydraulique, le moyen modifiant le signal émettant un signal modifié to destiné à être utilisé pour commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

Dans un tel système de génération d'énergie hydraulique l'interface servant à coupler un groupe à turbine hydraulique à un système d'utilisation, comprend
un convertisseur rotatif qui est couplé à la turbine hydraulique et qui transmet l'énergie électrique au système d'utilisation électrique, le convertisseur rotatif comprenant
un rotor et un stator dont un de ceux-ci est couplé au groupe à turbine hydraulique et dont l'autre est couplé au système d'utilisation électrique;
un dispositif de commande qui tient compte de la fréquence de courant alternatif de l'énergie électrique de sortie pour générer un signal destiné à commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

Dans cette interface le dispositif de commande comprend
un transducteur de fréquence qui surveille la fréquence de courant alternatif du système d'utilisation électrique et génère un signal fac indicatif de cette fréquence; et
un moyen utilisant le signal fac généré par le transducteur de fréquence pour modifier un signal agio indicatif d'une vitesse de rotation demandée du groupe à turbine hydraulique, le moyen de modification de signal émettant un signal modifié G3 o destiné à être utilisé pour commander la vitesse de rotation dii rotor par rapport à celle du stator.

Les objets, caractéristiques et avantages mentionnés cidessus ainsi que d'autres objets caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation préférés pour lesquels on se reportera aux dessins annexés, sur lesquels
la figure 1A est une vue schématique d'un système turbine hydraulique/génératrice selon un premier mode de réalisation de l'invention;
la figure 1B est une vue schématique d'un système turbine hydraulique/génératrice selon un deuxième mode de réalisation de l'invention;
la figure 1C est une vue schématique d'un système turbine hydraulique/génératrice selon un troisième mode de réalisation de l'invention;
la figure 2 est une vue schématique d'un convertisseur asynchrone selon un mode de réalisation de l'invention;
la figure 3 est une vue partiellement schématique et partiellement en perspective du convertisseur asynchrone de la figure 2;
la figure 4 représente un Diagramme de Hill utilisé pour expliquer le principe de fonctionnement du système de turbine hydraulique/génératrice de l'invention;
la figure 5 est une représentation schématique des fonctions exécutées par un dispositif de commande selon une prédiction appelé ci-après dispositif de commande prédictive, inclus dans un système de commande du système de turbine hydraulique/génératrice de l'invention; et
les figures 6A et 6B sont des graphiques représentant des tables qui sont stockées dans le dispositif de commande prédictive et qui sont utilisées pour générer un signal de sortie o et une instruction de position de vanne ou d'ordre de vanne.

La figure 1A représente un système 20 de turbine hydraulique/génératrice selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le système 20 est situé à l'endroit d'un barrage 22 qui retient l'eau d'un plan d'eau d'amont 24. Des transducteurs 25 de colonne d'eau sont montés sur le barrage 22 ou à proximité de ce dernier pour s'informer de la hauteur "h" de l'eau d'amont 24. D'une manière classique, le barrage 22 comporte une vanne 26 de conduite forcée ou de déversoir à travers laquelle l'eau (provenant du plan d'eau d'amont 24) est canalisée jusqu'à une chambre 28 de turbine.

Un tube d'aspiration 30 raccorde la sortie de la chambre 28 de turbine à un plan d'eau d'aval 32.

Le système 20 comprend une turbine 40, un système de commande 42A, une génératrice hydraulique 44 et un convertisseur asynchrone 50. La turbine 40 est située dans la chambre 28 de turbine d'une façon classique et comporte un arbre de sortie 60 qui fournit l'énergie mécanique à la génératrice 44. La turbine 40 comporte un dispositif 41 de vanne de conduite forcée qui commande le positionnement d'un mécanisme (non représenté) de vanne de conduite forcée inclus dans la turbine 40.

Une source 62 de courant de génératrice (connue également comme étant une excitatrice de champ de génératrice) fournit un courant d'excitation par l'intermédiaire de lignes 64 à la génératrice hydraulique 44. D'une manière classique, la source 62 d'alimentation en courant de la génératrice reçoit son courant d'entrée par l'intermédiaire de lignes 66 ainsi qu'un signal d'entrée d'excitatrice par l'intermédiaire d'une ligne 67.

Telle qu'elle est définie dans le présent exposé, la turbine 40 et la génératrice hydraulique 44 constituent un groupe à turbine hydraulique 70. En outre, eu égard à son fonctionnement tel qu'expliqué ci-après, le convertisseur asynchrone 50 est également connu comme étant une interface pour le couplage d'un groupe à turbine hydrauliqlle 70 avec un système de fourniture de courant alternatif, tel que le réseau ou un système d'utilisation 72. Dans un système d'utilisation 72, la puissance électrique peut varier et se situe dans une plage de fréquences électriques d'utilisation prédéterminée. Un signal de besoin du réseau d'utilisation
(acheminé sur la ligne 73 à partir d'un tableau de commande 74) indique un niveau de puissance P0 requis habituellement par le système d'utilisation 72.

Comme représenté sur la figure lA, le système de commande 42A comprend un dispositif 76 de commande prédictive. Le signal Po d'ordre de puissance ou de niveau de puissance en provenance du tableau de commande 74 est appliqué, sous forme d'un premier signal d'entrée, à un dispositif 76 de commande prédictive. Un second signal d'entrée envoyé au dispositif 76 de commande prédictive est le signal hmeas appliqué à partir du transducteur 25 de colonne d'eau. Un premier signal de sortie du dispositif 76 de commande prédictive est une instruction de position de vanne qui est appliquée, par l'intermédiaire de la ligne 90, au dispositif 41 de commande de vanne de déversoir. Un second signal de sortie X go du dispositif 76 de commande prédictive, indicatif de la vitesse de rotation désirée du groupe à turbine hydraulique 70 zou étant la vitesse de rotation réelle du groupe à turbine hydraulique 70) est appliqué au convertisseur asynchrone 50 d'une manière indiquée d'une façon plus particulière ci-après.

La figure 4 montre un Diagramme de Hill classique ("Hill
Chart") d'un type bien connu dans la technique antérieure et qui est utile pour comprendre le fonctionnement du dispositif de commande prédictive décrit dans le présent exposé. L'axe indépendant (horizontal) du Diagramme de
Hill est proportionnel à la vitesse L)gen de la génératrice hydraulique 44 et inversement proportionnel à la racine carrée de la colonne d'eau "h" (telle que déterminée par le transducteur 25 de colonne d'eau) l'axe dépendant ou axe asservi (vertical) représente la puissance sortant de la génératrice. Chaque courbe sur le tracé du Diagramme de Hill de la figure 4 représente une position différente de la vanne de conduite forcée tel qu'établie par le dispositif 41 de commande de vanne de déversoir. Pour chaque position de la vanne et chaque mesure de colonne d'eau, il existe une valeur optimale de la vitesse pour maximiser la puissance.

La figure 5 représente les fonctions remplies par le dispositif 76 de commande prédictive. Comme indiqué précédemment, le dispositif 76 de commande prédictive reçoit le signal hmeas de mesure d'eau amont en provenance du transducteur 25 de colonne d'eau ainsi que le signal de puissance ordonnée Po (par exemple en provenance du tableau 74). En utilisant ces deux signaux d'entrée, le dispositif 76 de commande prédictive consulte une première table de consultation 94 pour obtenir une valeur "d'ordre de vanne" destinée à être utilisée comme instruction de position de vanne devant être appliquée, par l'intermédiaire de la ligne 90, au dispositif 41 de commande de vanne de déversoir et consulte une seconde table de consultation 95 pour obtenir le signal UgO de vitesse de rotation désirée pour appliquer celui-ci à la ligne 92 et pour l'utiliser dans le convertisseur asynchrone d'entraînement 50.

L'homme de métier comprendra que, dans un des modes de réalisation, le dispositif 76 de commande prédictive comprend un processeur muni de tables de consultation 94 et 95 qui sont stockées dans des mémoires, comme par exemple une ou plusieurs mémoires mortes (ROM).

L'instruction de position de vanne est appliquée, par l'intermédiaire de la ligne 90, au dispositif 41 de commande de vanne de conduite forcée. L'homme de métier sait comment un dispositif 41 de commande de vanne de déversoir fonctionne pour positionner sur commande le mécanisme de vanne de conduite forcée compris dans la turbine 40.

Le signal de sortie 4XgO appliqué, par l'intermédiaire de la ligne 92 depuis le dispositf 76 de commande prédictive, au convertisseur asynchrone 50 est la vitesse ordonnée de la génératrice hydraulique 44. En réponse au signal de sortie
u,go , le convertisseur asynchrone 50 produit une tension alternative ayant la fréquence ordonnée. Du fait que la génératrice hydraulique 44 est une machine du type synchrone, la vitesse de la génératrice hydraulique 44 sera exactement proportionnelle à la fréquence de courant alternatif des lignes triphasées 10. Ainsi, l'établissement de la fréquence ordonnée au convertisseur asynchrone 50 en vue de sa connexion aux lignes triphasées 10 est suffisant pour obtenir une régulation de vitesse de la génératrice hydraulique 44 (c'est-à-dire qu'il n'est nul besoin de mesurer la vitesse de l'arbre de la génératrice hydraulique 44 dans le mode de réalisation de la figure 1A).

Le mode de réalisation de la figure 1B diffère du mode de réalisation de la figure 1A par le fait qu'il comporte un système de commande 42B et non pas un système de commande 42A. En particulier, le système de commande 42B comprend un transducteur 78 de puissance et un dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill en plus du dispositif 76 de commande prédictive. Le transducteur 78 de puissance surveille la puissance des lignes triphasées raccordant le convertisseur asynchrone 50 au système 72 de distribution de courant alternatif (secteur ou compagnie de distribution d'électricité) et émet un signal Pmeas vers le dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill.

Le dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill remet à jour les valeurs stockées dans les tables de consultation 94 et 95 (voir figure 6A et figure 6B) en se basant sur des mesures en direct. A ce sujet, le dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill utilise la puissance de sortie mesurée du convertisseur asynchrone 50
(signal Pineau ) ainsi que les signaux de sortie (acheminés par les lignes 90 et 92) en provenance du dispositif 76 de commande prédictive et le signal hmeas en provenance du transducteur 25 de colonne d'eau pour réexaminer les informations du Diagramme de Hill stockées dans les tables 94 et 95 en se basant sur des informations historiques réelles du système hydroélectrique
Le dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill est donc connecté de manière à recevoir le signal Pmeas de puissance mesurée en provenance du transducteur 78 de puissance ainsi que l'instruction de position de vanne émise sur la ligne 90 par le dispositif 76 de commande prédictive, le signal émis sur la ligne 92 par le dispositif 76 de commande prédictive, et le signal hmeas émis par le transducteur 25 de colonne d'eau. Le dispositif 84 de remise à jour de Diagramme de Hill envoie au dispositif 76 de commande prédictive des données de remise à jour tel qu'indiqué par une ligne repérée "affinement".

Le mode de réalisation de la figure 1C diffère du mode de réalisation de la figure 1A par le fait qu'il comporte un système de commande 42C et non pas un système de commande 42A. En particulier, le système de commande 42C comprend,
(en plus du dispositif 76 de commande prédictive) un régulateur comprenant un dispositif 82 de commande de fréquence de courant alternatif et un additionneur 88.

Dans le mode de réalisation de la figure 1C, le dispositif 82 de commande de fréquence reçoit un signal fac du convertisseur asynchrone 50 de la manière que l'on va décrire ci-après, le signal fac étant indicatif d'une fréquence de transmission de courant alternatif dans les lignes triphasées raccordant le convertisseur asynchrone 50 au système de distribution de courant alternatif (secteur ou compagnie de distribution d'électricité) 72. Le signal de sortie /\ Po du dispositif 82 de commande de fréquence de courant alternatif est appliqué à une première borne d'entrée (plus) de l'additionneur 88. Une seconde borne d'entrée (plus) de l'additionneur 88 est raccordée de maniere à recevoir le signal de puissance ordonné (denommé P dans le mode de réalisation de la figure 1C) provenant du tableau de commande 74. L'additionneur 88 produit un signal
Po qui est appliqué sous forme d'un premier signal d'entrée au dispositif 76 de commande prédictive et qui, dans le mode de réalisation de la figure 1C, sert de valeur PO sur la figure 5 ainsi que sur la figure 6A et la figure 6B.

Comme dans les modes de réalisation précédents, le second signal d'entrée envoyé au dispositif 76 de commande prédictive, représenté sur la figure lC, est le signal hmeas appliqué par le transducteur 25 de colonne d'eau. Un premier signal de sortie du dispositif 76 de commande prédictive est une instruction de position de vanne qui est appliquée, par l'intermédiaire de la ligne 90, au dispositif 41 de -commande de vanne de déversoir. Un second signal de sortie du dispositif 76 de commande prédictive, représenté sur la figure 1C, (c'est-à-dire le signalUeo) est appliqué, par l'intermédiaire de la ligne 92, au convertisseur asynchrone 50.

On comprendra que les caractéristiques du mode de réalisation de la figure 1B et de la figure 1C peuvent être combinées dans un autre mode de réalisation, en incluant de cette manière à la fois une remise à jour du Diagramme de
Hill et une commande de fréquence de courant alternatif dans un seul et même mode de réalisation.

La figure 2 montre un convertisseur asynchrone 50 comprenant un transformateur 102 à fréquence variable et un système de commande. Le système de commande comprend une unité 108 de commande de vitesse rapide, un transducteur 80 de fréquence et un additionneur 86. Comme décrit de façon plus détaillée ci-après en se référant à la figure 3, le transformateur 102 à fréquence variable est connecté, par des lignes triphasées RA, RB, RC, à la génératrice hydraulique 44 et par des lignes triphasées SA, SB et SC au système de fourniture de courant électrique (secteur) ces lignes triphasées correspondent aux lignes triphasées désignées 10 et 11, respectivement, sur les figures 1A, 1B, et 1C.

Comme représenté sur la figure 2, le transformateur rotatif 102 à fréquence variable comprend à la fois un ensemble 105 formant transformateur rotatif et une unité 106 de commande de couple (connue également sous la désignation de section d'entraînement d rotor). On va décrire ci-après de façon plus détaillée en référence à la figure 3 des détails de l'ensemble 105 formant transformateur rotatif et de l'unité 106 de commande de couple.

Le transducteur 80 de fréquence surveille la fréquence du courant alternatif acheminé par les lignes triphasées 11 connectant le convertisseur asynchrone 50 au système de fourniture de courant alternatif (secteur) 72 et envoie le signal fac à une borne d'entrée négative de l'additionneur 86 (et au dispositif 82 de commande de fréquence alternative dans le mode de réalisation de la figure 1C). L'additionneur 86 reçoit le signal de vitesse de rotation demandée destiné à la machine hydraulique 44 (signal (go sur la ligne 92) et envoie un signal ao au dispositif 108 de commande de vitesse rapide. Un signal de sortie @0 de l'additionneur 86, c'est- à-dire Wo = d8O - fac qui est indicatif de la vitesse de rotation désirée du convertisseur asynchrone 50 et, par conséquent, est appliqué au convertisseur asynchrone 50.

Comme on l'a représenté également sur la figure 2, le dispositif 108 de commande de vitesse rapide, à son tour, reçoit un signal Qr en provenance du transducteur 111 de vitesse. Le dispositif 108 de commande de vitesse rapide reçoit le signal G (provenant du dispositif 76 de commande prédictive par l'intermédiaire de l'additionneur 86) et envoie un signal d'entraînement To à l'unité 106 de commande de couple.

Comme représenté de façon plus détaillée sur la figure 3, l'ensemble 105 formant transformateur rotatif comprend à la fois un sous-ensemble de rotor 110 et un stator 112. Le sous-ensemble de rotor 110 comprend des bagues 114 de collecteur (connues également sous la désignation de bagues collectrices) et une section cage de rotor 116. Les lignes triphasées RA, RB, RC s'étendant depuis le génératrice hydraulique 44 sont connectées aux bagues 114 de collecteur et les lignes triphasées SA, SB et SC s'étendant jusqu'au système 72 de fourniture de courant électrique (secteur ou compagnie de distribution d'électricité) sont connectées au stator 112. Le sous-ensemble de rotor 110 comporte un transducteur 111 de vitesse monté à proximité de ce sousensemble pour générer le signal W. de vitesse angulaire indicatif de la vitesse angulaire du rotor.

Comme représenté sur la figure 3 et comme le comprendra l'homme de métier, dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble 105 formant transformateur rotatif comporte un enroulement à deux couches avec des secteurs à soixante degrés de phases, les enroulements de rotor étant désignés par RA+, RC-, RB+, RA-, RC+ et RB- et les enroulements de stator étant désignés par SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ et SB-. On comprendra que l'invention n'est pas limitée à un système d'enroulement avec (soixante degrés de phase) mais que les moyens généraux de la présente invention sont applicables à des ensembles formant transformateur rotatif de deux phases et d'un nombre de phases supérieur.

L'ensemble 110 formant rotor peut tourner autour de son axe RX à la fois dans le sens des aiguilles d'une montre CW et en sens contraire des aiguilles d'une montre CCW. La rotation de l'ensemble formant rotor 110 est effectuée par une section 106 d'entraînement de rotor.

La section 106 d'entraînement de rotor est représentée symboliquement sur la figure 2 sous la forme d'une section cylindrique montée sur l'ensemble 110 formant rotor. De ce fait, la section 106 d'entraînement de rotor de la figure 2 représente, d'une façon générale, diverses variantes et différents types de mécanismes d'entraînement destinés à faire tourner l'ensemble 110 formant rotor. Dans certains modes de réalisation, la section 106 d'entraînement de rotor comprend un actionneur et un certain type de liaison ou transmission mécanique (par exemple un engrenage et/ou un accouplement) qui forme l'interface avec l'ensemble 110 formant rotor. Par exemple, dans un des modes de réalisation la section 106 d'entraînement de rotor comprend un système d'entraînement à vis sans fin. Dans d'autres modes de réalisation, la section 106 d'entraînement de rotor comprend un actionneur, tel qu'un moteur pas-à-pas, agissant par l'intermédiaire d'un pignon radial (par exemple un pignon droit), un système d'entraînement direct, un actionneur hydraulique faisant tourner un pignon de l'ensemble 110 formant rotor, ou bien un actionneur pneumatique faisant tourner un pignon de l'ensemble 110 formant rotor. Dans des autres modes de réalisation encore, la fonction du dispositif de commande de couple est obtenue en disposant deux ensembles d'enroulements tant sur le rotor qe sur le stator de l'ensemble 105 formant transformateur rotatif, un premier ensemble d'enroulements sur le rotor et le stator comportant un nombre de pôles (par exemple 2 pôles) différent de celui d'un second ensemble d'enroulements disposé sur le rotor et le stator (par exemple 4 ou plus de 4 pôles).

Pendant le fonctionnement, un opérateur établit le signal d'entrée d'ordre de puissance (signal P0 dans les modes de réalisation de la figure 1A et de la figure 1B; signal PZ dans le mode de réalisation de la figure 1C) conformément avec un besoin de puissance prédéterminé du système de distribution de courant ou secteur 72. On peut établir le signal d'entrée d'ordre de puissance (Po ou P , selon le cas), en règlant un bouton o en entrant des données au niveau du tableau de commande d'opérateur ou poste de travail d'opérateur 74 pour générer le signal indicatif de la puissance ordonnée.

Le dispositif 108 de commande de vitesse rapide reçoit à la fois le signal in de vitesse angulaire requise ou désirée et un signal #r de vitesse angulaire mesurée. Le signal "o de vitesse angulaire demandée est généré par le dispositif 76 de commande prédictive en utilisant des informations basées sur le Diagramme de Hill de ce dernier. Le signaler de vitesse angulaire mesurée est obtenu à partir du transducteur 111 de vitesse. Le dispositif 108 de commande de vitesse rapide génère un signal d'entraînement (connu également comme étant le signal To d'ordre de couple) sur la ligne 134 de telle sorte que Ur devienne rapidement égal à L'homme de L'homme de métier sait comment faire fonctionner des dispositifs classiques d'entraînement de moteur tels que le dispositif 108 de commande de vitesse rapide et utiliser des signaux Xr et SO pour générer le signal d'entraînement To.

Le dispositif 108 de commande de vitesse rapide fonctionne de manière à régler le signal d'entraînement To envoyé par l'intermédiaire de la ligne 134 au dispositif 106 de commande de couple de telle sorte que la vitesse réelle
Ar de l'ensemble 110 formant rotor suive la vitesse ordonnée Uo. La largeur de bande de la boucle fermée du dispositif 108 de commande de vitesse rapide doit être supérieure à la fréquence d'oscillation naturelle la plus élevée de l'ensemble 110 formant rotor, y compris sa réaction au réseau de transmission dans lequel il est intégré et est généralement inférieure à 100 rad/s. De façon typique, les modes naturels d'oscillation sont compris entre environ 3 rad/s et 50 rad/s et sont habituellement inférieurs à 30 rad/s. Dans le mode de réalisation représenté. En ce qui concerne la largeur de bande (vitesse de réponse) du dispositif 108 de commande de vitesse rapide, le retard de phase provenant du passage de la vitesse ordonnée Cao à une vitesse réelle Ur de l'ensemble 110 formant rotor est inférieur à 90 degrés pour des perturbations sinusoïdales. Le fait que cette largeur de bande de réponse est assurée garantit à son tour que la totalité de ces modes naturels d'oscillation éprouveront un amortissement bénéfique procuré par le système de commande.

L'amplitude du signal d'entraînement To appliqué à la ligne 134 est utilisée par la section 106 d'entraînement de rotor pour augmenter ou diminuer la vitesse de l'ensemble 110 formant rotor afin d'obtenir la vitesse voulue de la génératrice hydraulique 44.

Comme on peut le voir sur la figure 3, le signal d'entraînement To présent sur la ligne 134 est appliqué à l'amplificateur 150 de commande de couple. Le courant est fourni à l'amplificateur 150 de commande de couple par la source 152 de courant de commande de couple, grâce à quoi en utilisant le signal d'entraînement To présent sur la ligne 134 l'amplificateur 150 de commande de couple envoie les trois signaux de phase TA, TB et TC à l'unité 106 de commande de couple. Tel qu'on l'utilise dans le présent exposé et dans cette technique, TA se rapporte collectivement à TA+ et TA-, TB se rapporte collectivement à
TB+ et TB-, et ainsi de suite.

Le positionnement angulaire Or de l'ensemble 110 formant rotor par rapport au stator 112 est également représenté sur la figure 3, étant entendu que, d'après la pratique classique, Or est nul quand RA+ s'aligne exactement avec SA+.

On comprendra le transfert de puissance obtenu par l'intermédiaire du dispositif de commande asynchrone 50 en se référant à la demande de brevet français déposée ce même jour sous le titre : " Système, sous-station et procédé pour interconnecter des systèmes électriques ayant une caractéristique électrique différente " qui est mentionnée ici à titre de référence pour montrer, par exemple, divers types de mécanismes utilisés pour la section 106 d'entraînement de rotor.

Le régulateur automatique en temps réel pour le convertisseur asynchrone 50, formé par le dispositif 82 de commande de fréquence alternative et l'additionneur 88, fournit un ajustement automatique du signal P- d'entrée de puissance ordonnée en fonction des besoins actuels en temps réel du système 72 de fourniture de courant alternatif. Par exemple, si le système 72 de fourniture de courant alternatif ne recevait pas, à un moment quelconque, suffisamment de puissance malgré le signal P de puissance ordonnée, la fréquence dans les lignes 11 diminuerait et cette diminution serait détectée par le transducteur 80 de fréquence et compensée par le dispositif 76 de commande prédictive en réponse au signal Po de sorte qu'il en résulterait un niveau de puissance plus élevé que celui suscité par le signal P . Inversement, si une puissance beaucoup trop élevée était fournie au système 72 de fourniture de courant alternatif la fréquence dans les lignes 11 augmenterait et cette augmentation serait détectée par le transducteur 80 de fréquence et compensée par le dispositif 76 de commande prédictive, de sorte qu'il en résulterait un niveau de puissance inférieur à celui suscité par le signal P
Dans le mode de réalisation de la figure 1C, c'est le signal Po envoyé au dispositif 76 de commande prédictive qui est indicatif du niveau de puissance demandé et non pas le signal P de puissance ordonnée (Po étant une modification de P- comme expliqué ci-dessus).

Ainsi, la présente invention permet d'obtenir une vitesse variable avec l'enroulement inducteur classique à courant continu de la génératrice principale 44 en faisant varier la fréquence du courant alternatif circulant dans le stator de la génératrice principale de manière que cette fréquence s' écarte de la fréquence nominale d système 72 de distribution de courant alternatif d'une quantité nécessaire pour que l'on obtienne la variation de vitesse désirée (par exemple 55 Hz donnerait une vitesse de 110 % par rapport à une génératrice fonctionnant nominalement à 50 Hz). En outre, la présente invention atteint son objectif d'obtention de rendement hydraulique optimal par mesure de la colonne d'eau et de la fréquence du système de transmission de courant alternatif uniquement avec une fonction de commande en boucle ouverte basée sur un "Diagramme de Hill Hydraulique" calculé de façon autonome, c'est-à-dire en dehors du réseau.

Comme autres avantages, la fréquence du système de fourniture de courant est commandée par mesure de la fréquence du système de transmission de courant alternatif et par ajustement de la puissance ordonnée au dispositif de commande principale. Un amortissement des oscillations du système de fourniture de courant est également obtenu par l'intermédiaire du dispositif 108 de commande vitesse élevée.

Le convertisseur 50 peut ainsi facilement être utilisé pour remettre à niveau les installations de génératrices hydrauliques existantes. Les limites de capacité d'ajustement de vitesse de chaque installation de génératrice hydraulique dépendent des contraintes mécaniques et de l'aptitude des autres composants du système à remplir leurs fonctions. Au moins une génératrice peut être équipée avec le convertisseur 50 dans n'importe quel complexe de barrage donné ou sur des sites de barrage venant tout juste d'être sélectionnés le long d'une rivière et qui nécessitent une capacité de commande supplémentaire.

Par ailleurs, le convertisseur 50 constitue un outil important pour les organismes en charge de l'énergie qui gèrent les ressources hydrauliques. En désaccouplant le débit (à travers la turbine) de la demande de puissance, on peut ajuster avec précision les niveaux de l'eau sans gaspiller d'énergie. Cet ajustement précis comprend la possibilité d'effectuer un ajustement en fonction des conditions d'abondance de pluie et/ou de sécheresse dans des régions différentes du même fleuve.

Le convertisseur 50 exerce aussi une fonction de commande de stockage d'eau pompée. Un svstème hydroélectrique à stockage d'eau pompée met en jeu, de façon typique, un système à deux réservoirs, un des réservoirs se trouvant à une hauteur plus grande et l'autre réservoir se trouvant à une hauteur plus faible. L'eau est pompée jusqu'au réservoir plus haut, son énergie potentielle étant stockée jusqu'à ce que se présentent des conditions extraordinaires de demande de pointe. L'eau est alors libérée à travers les turbines hydroélectriques de façon à satisfaire cette demande de pointe. Une évacuation poussée du réservoir supérieur comme cela a lieu lors d'une demande de pointe, nécessite un pompage (en dehors des heures de pointe) de l'eau pour la renvoyer du réservoir inférieur au réservoir supérieur.

Pendant des conditions de réservoirs faiblement remplis, le convertisseur 50 procure l'avantage d'une réponse rapide et d'une vitesse réduite de fonctionnement. Par suite d'un fonctionnement à une vitesse légèrement plus faible et de l'utilisation d'une marge de réserve plus petite, les services en charge de la gestion de l'énergie peuvent optimiser le stockage ou conservation de l'eau tout en maintenant en réponse à la charge un débit égal au débit résultant de l'ouverture de la vanne de déversoir.

Les avantages de la présente invention comprennent une diminution des contraintes écologiques (sauvegarde des poissons, réduction maximum de l'érosion, etc.) et une régulation meilleure du niveau de l'eau, particulièrement dans les systèmes à multi-bassins. Cette régulation améliore l'utilité et les disponibilités en eau à la fois du point de vue loisirs et du point de vue agriculture, comme par exemple l'irrigation
I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. Par exemple, alors que dans la description qui précéde on a décrit un système électrique d'alimentation raccordé à des bagues 114 de collecteur et un système électrique récepteur connecté à un stator 112, on comprendra que ces connexions pourraient être inversées.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour transmettre l'énergie électrique depuis un groupe à turbine hydraulique jusqu'à un système d'utilisation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend:

l'obtention d'un signal indicatif d'une colonne d'eau; et

l'utilisation du signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne d'un groupe à turbine hydraulique à vitesse variable afin de fournir au système d'utilisation électrique un niveau de puissance demandée.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de la vitesse du groupe à turbine hydraulique à vitesse variable implique l'utilisation du signal indicatif de la colonne d'eau pour accéder à une mémoire dans laquelle sont stockées des informations relatives au Diagramme

Hydraulique de Hill.

3. Interface pour coupler un groupe à turbine hydraulique au réseau d'utilisation électrique, cette interface étant caractérisée en ce qu'elle comprend

un convertisseur rotatif couplé au groupe à turbine hydraulique pour recevoir l'énergie électrique de sortie générée par le groupe à turbine hydraulique;

un dispositif de commande qui commande le convertisseur rotatif de manière que soit obtenu, à partir du groupe à turbine hydraulique , pour le réseau d'utilisation, un niveau d'énergie électrique de sortie, ce dispositif de commande utilisant un signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne du groupe à turbine hydraulique de manière à fournir au secteur électrique le niveau de puissance demandée.

4. Interface selon la revendication 3, caractérisée en ce que le convertisseur rotatif comprend

un rotor et un stator dont un de ceux-ci est connecté de manière à recevoir l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique et dont l'autre est connecté de manière que l'énergie électrique de sortie du convertisseur en soit extraite;

un actionneur pour faire tourner le rotor;

le dispositif de commande étant sensible aux signaux servant à commander l'actionneur, grâce à quoi le rotor est entraîné en rotation de façon bidrectionnelle à une vitesse variable.

5. Système de génération d'énergie hydroélectrique qui génère une énergie électrique destinée à un système d'utilisation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend

un groupe à turbine hydraulique qui est entraîné par un courant d'eau pour générer une énergie électrique de sortie de turbine hydraulique;

un convertisseur rotatif couplé de manière à recevoir l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique;

un dispositif de commande qui commande le convertisseur rotatif de manière que soit obtenu à partir du groupe à turbine hydraulique un niveau demandé d'énergie électrique de sortie de convertisseur, le dispositif de commande utilisant un signal indicatif d'une colonne d'eau pour commander la vitesse et la position de vanne du groupe à turbine hydraulique afin de fournir au système d'utilisation le niveau de puissance de sortie demandée.

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur rotatif est couplé à la turbine hydraulique de telle sorte que la fréquence de courant alternatif du convertisseur rotatif soit proportionnelle à la vitesse de rotation de la turbine hydraulique.

7. Système de génération d'énergie hydroélectrique générant de l'énergie électrique pour un système d'utilisation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend

un groupe à turbine hydraulique qui est entraîné par un écoulement d'eau pour générer de l'énergie électrique de sortie de turbine hydraulique;

un convertisseur rotatif qui est couplé à la turbine hydraulique et qui transmet l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique au système d'utilisation électrique, le convertisseur rotatif comprenant

un rotor et un stator dont un de ceux-ci est couplé au groupe à turbine hydraulique et dont l'autre est couplé au système d'utilisation électrique;

un dispositif de commande qui tient compte de la fréquence de courant alternatif de l'énergie électrique de sortie de la turbine hydraulique pour générer un signal destiné à commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

8. Svstème selon la revendication 7, caractérise en ce que le dispositif de commande comprend

un transducteur de fréquence qui surveille la fréquence de courant alternatif du système d'utilisation électrique et génère un signal fac indicatif de cette fréquence; et

un moyen destiné à utiliser le signal fac généré par le transducteur de fréquence pour modifier un signal Q CJgo indicatif d'une vitesse de rotation demandée du groupe à turbine hydraulique, le moyen modifiant le signal émettant un signal modifié Xo destiné à être utilisé pour commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

un dispositif de commande qui tient compte de la fréquence de courant alternatif de l'énergie électrique de sortie pour générer un signal destiné à commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.

un rotor et un stator dont un de ceux-ci est couplé au groupe à turbine hydraulique et dont l'autre est couplé au système d'utilisation électrique;

un convertisseur rotatif qui est couplé à la turbine hydraulique et qui transmet l'énergie électrique au système d'utilisation électrique, le convertisseur rotatif comprenant

9, Interface pour coupler un groupe à turbine hydraulique à un système d'utilisation électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend

10. Inferface selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif de commande comprend

un transducteur de fréquence qui surveille la fréquence de courant alternatif du système d'utilisation électrique et génère un signal fac indicatif de cette fréquence; et

un moyen utilisant le signal fac généré par le transducteur de fréquence pour modifier un signalgo indicatif d'une vitesse de rotation demandée du groupe à turbine hydraulique, le moyen de modification de signal émettant un signal modifié Wo destiné à être utilisé pour commander la vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du stator.