FR2841302A1

FR2841302A1 - Method of starting a hydraulic turbine in a hydro-electric installation, uses curve of reference values to pilot closed loop control that measures and regulates turbine speed to track changing reference value as turbine accelerates

Info

Publication number: FR2841302A1
Application number: FR0207663A
Authority: FR
Inventors: Claude Boireau; Ling Kang; Luging Ye
Original assignee: Alstom Schweiz AG; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-12-26
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: FR2841302B1

Abstract

The starting procedure uses a closed loop control which at each instant (t) during starting (delta t) of a turbine (1) controls its speed of rotation (V) to track a curve (C1) of reference values (V r e f). The controller has a means (102) of storing or calculating the curve, a means (5) of measuring turbine speed, and a of comparing (101) measured and reference speed at each instant.

Description

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. The invention relates to a method for starting a hydraulic turbine and to a hydroelectric installation comprising means for implementing such a method.

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. In the field of the production of electrical energy from a mechanical turbine driving an alternator, it is known that the coupling between the alternator and the downstream electrical network must be carried out after stabilization of the rotational speed of the alternator at a speed corresponding to the frequency of the current in the network. From a stopped turbine, it is therefore advisable to bring the assembly rotating to the network frequency. However, the turbines have behaviors that vary depending on the height of the installation's waterfall.

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. Until now, it has been known to use a range of predefined successive openings of the flaps for controlling the flow of water towards the turbine, assuming that these successive openings will allow the turbine to accelerate up to the desired speed. In fact, these predefined openings do not allow the drop height to be taken into account and most often lead either to an overspeed or to a speed not high enough for the turbine. In the event of overspeed, it is necessary to wait a long time before the turbine decelerates to the satisfactory speed level, because the turbine runs idle, since the alternator is not connected to the network. If the speed is not high enough, it may be necessary to start the start sequence completely.

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 It is to these drawbacks that the invention more particularly intends to remedy, by proposing a new method for starting a hydraulic turbine which ensures good reproducibility of the starting sequence and the systematic obtaining of a speed of

rotation permettant la synchronisation de l'alternateur avec la fréquence du réseau électrique à alimenter. rotation allowing synchronization of the alternator with the frequency of the electrical network to be supplied.

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. In this spirit, the invention relates to a method of starting a hydraulic turbine in a hydroelectric installation, characterized in that it consists in slaving, at each instant during the starting phase, the speed of rotation of the turbine to a curve of reference values for this speed, as a function of time.

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. Thanks to the invention, speed progression takes place with closed loop control, which makes it possible to obtain significantly greater precision and reproducibility than in the methods in which the speed evolution of the turbine does not is that the consequence of successive openings of the supply flaps.

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. The invention goes against the habits of specialists in the technical field of hydroelectric installations, insofar as it was hitherto considered that it was not possible to measure, with sufficient precision, the speed of rotation of a turbine in a range of speeds substantially lower than the nominal speed of rotation of this 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. The invention also makes it possible to avoid the jolts generated during transient regimes between successive and predetermined openings of the supply flaps, taking into account the fact that the allowable pressures by the turbine are limited by hydraulic constraints.

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. According to a first advantageous embodiment of the invention, the speed values of the reference curve can be expressed, as a function of time, in the form of: - Vref (t) = ept before a first predetermined instant.

- Vref(t) - kt après ce premier instant et avant un second instant prédéterminé. - Vref (t) - kt after this first instant and before a second predetermined instant.

- 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. - Vref (t) = VN (l-eqt) after the second predetermined instant where t is the time elapsed since the start of the start, p, k and q are constants and
VN is the nominal speed of the turbine sought after the start-up phase.

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. According to another embodiment, the speed values of the reference curve can be expressed, as a function of time, by interpolation between several points corresponding to predetermined speed values, at predetermined times.

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. Advantageously, the same reference curve is used throughout the year, regardless of the seasons or the height of fall of the installation. In particular, this reference curve can be determined by considering the intrinsic acceleration capacity of the machine under its most unfavorable conditions of use, that is to say in general under the minimum foreseeable height of fall of the 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 ; The invention also relates to a hydroelectric installation comprising a turbine driving an alternator intended to be coupled to an electrical network, in which the method previously described can be implemented. This installation includes: - means for storing and / or calculating reference values, as a function of time, of the speed of the turbine during its start-up phase; means for measuring the speed of this turbine over substantially its entire speed range up to its nominal speed;

- 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. - means for comparing, at a given instant, the measured speed and the corresponding reference value and - control means, as a function of an output signal emitted by the comparison means, of control devices for the flow of water to the 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. Advantageously, the comparison means are integrated into a digital regulator of the speed of rotation of the turbine in steady state.

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. The invention will be better understood and other advantages thereof will appear more clearly in the light of the following description of a hydroelectric installation and of a process for starting a turbine according to the invention, given by way of example only and with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a cross-section of a hydroelectric installation incorporating a Kaplan turbine and in accordance with the invention; - Figure 2 is a schematic representation of the servo-control method implemented in the installation of Figure 1; - Figure 3 is a representation of a reference curve used in the process of Figure 2 and - Figure 4 is a view similar to Figure 3, for a variant of the reference curve.

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 The installation shown in FIG. 1 comprises a Kaplan type turbine 1 able to rotate around a generally vertical axis ZZ '. The turbine 1 is arranged in a pipe 2 for the flow of water from an upstream reservoir. The flow is represented by the arrows E in FIG. 1. Guidelines 3 are provided in the duct 2, upstream of the turbine 1, and make it possible to regulate the flow E. These guidelines are each controlled by

un servo-positionneur 31, lui-même relié à une unité de commande 4. a servo-positioner 31, itself connected to a control unit 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. A sensor 5 makes it possible to detect the speed of rotation of the turbine 1 between a zero speed and twice the nominal speed of rotation of the turbine. It is also connected to unit 4. The device for measuring the speed of rotation may consist of a toothed wheel rigidly connected to the shaft of the turbine and associated with an electronic proximity sensor which measures the interval of time elapsing between the detection of two consecutive teeth of the wheel. If the wheel has n teeth and the detected time interval is t seconds, the measured rotation speed is v (r / 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. The turbine 1 comprises a hub 11 and four blades 12, three of which are visible in FIG. 1. The hub 11 comprises a part 13 generally in the form of a sphere section and a part 14 forming a shaft and making it possible to transmit to an alternator, not shown , the torque generated by the flow E at the 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. As can be seen more particularly from FIG. 2, a speed regulator 101 is provided in the unit 4 to control the servo-positioners 31 which actuate the steerers 3, which influences the speed of rotation of the turbine 1, this speed being detected by the sensor 5 and supplied as an input, in the form of a signal V, to the regulator 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. A reference model 102 also provides the regulator 101 with reference values Vref for the speed V, the regulator providing the servo-positioners 31 with a signal S1 such that the value V is permanently, throughout the start-up phase, the most possible close to the Vref value of the model. To do this, the regulator 101 operates by comparing the values Vref and 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. The value Vref of the model is given by a curve Ci more particularly visible in FIG. 3 and defining, over a time interval #t corresponding to the start-up phase, the set values of the speed of rotation of the turbine. In the example shown in Figure 3, the curve Ci can be divided into three parts, namely a part corresponding to the start up to a first time tl, a second part corresponding to the start between time t1 and another time t2 and a part corresponding to the start after time t2. We note At the total duration of the starting from an 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. Between the start of the start, at an instant to, and the instant tl, the reference speed Vref has a value equal to ept where p is a constant and t the time elapsed since the instant to. Between the instants ti and t2, the reference speed follows a linear progression and has a value equal to kp where k is a constant. After the instant t2 and until the end of the start-up phase, the reference speed has the value Vref equal to VN (1-eqt) where VN is the nominal speed of the turbine that one seeks to obtain at the end of the start-up step and where q is a constant.

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 Ci jusqu'au terme de l'étape de démarrage où la vitesse VN est atteinte. As shown in dotted lines in FIG. 3, the value of the real speed V is maintained by the regulator 101 as close as possible to the curve Ci until the end of the start-up step where the speed VN is reached.

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. Thanks to the invention, the speed regulation of the operation of the turbine 1 guarantees that the speed VN is reached, regardless of the height of the chute supplying the 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 To do this, the curve Ci is defined taking into account the most unfavorable conditions for supplying the turbine 1, namely a height of

chute prévisible minimale, ce qui permet d'utiliser la même courbe Ci tout au long de l'année. minimum foreseeable fall, which allows the same Ci curve to be used throughout the year.

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. As shown in Figure 4, a curve C'1 can be developed according to which the reference speed as a function of time is defined by interpolation between remarkable points P1, P2, P3, P4, P5, P6 and P7 corresponding each at a value V1 to V7 of the speed Vref for instants tl to t7.

A la place d'une interpolation linéaire, on peut envisager une interpolation quadratique ou par d'autres méthodes. Instead of a linear interpolation, one can consider a quadratic interpolation or by other methods.

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. The invention has been shown with an installation comprising a Kaplan type turbine. It is applicable with other types of turbine, especially Francis or bulb turbines, which are also likely to work under very variable heights of fall.

Claims

1. Method for starting an electric turbine in a hydroelectric installation, characterized in that it consists in controlling (at 101), at each instant (t) during the start-up phase (At), the speed of rotation (V ) of said turbine at a curve (Ci; CI) of reference values (Vref) of said speed

2. Method according to claim 1, characterized in that the speed values of said reference curve (Ci) are expressed, as a function of time, in the form:

Vref (t) = ept, before a first predetermined instant (t1) (totti);

Vref (t) = kt, after said first instant (t1) and before a second predetermined instant (t2) (t1 <t # t2) and Vref (t) = VN (l-eqt), after said second predetermined instant (t2 <t), where t is the time since the start of the start (tO), p, k and q are constants and

VN is the nominal speed of the turbine sought after the start-up phase.

3. Method according to claim 1, characterized in that the speed values of said reference curve (C'i) are expressed, as a function of time, by interpolation between several points (Pl-P7) corresponding to predetermined values (Vl-V7) of speed, at predetermined times (tl-t7) -

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that it consists in using the same reference curve (Ci; C'i) throughout the year, regardless of the seasons or the height of fall of installation.

5. Method according to claim 4, characterized in that said reference curve (Ci; CI,) is determined taking into account the minimum foreseeable height of fall of the installation.

6. Hydroelectric installation comprising a turbine driving an alternator intended to be coupled to an electrical network, characterized in that it comprises: - means (102) for storing and / or calculating reference values (Vref), depending time, speed of said turbine (1) during its start-up phase (At); - Means (5) for measuring the speed of said turbine over substantially its entire speed range up to its nominal speed (VN); - means (101) for comparing, at a given instant (t), the measured speed (V) and the corresponding reference value (Vref) and - control means (31), as a function of a signal outlet (Si) emitted by said comparison means, control members (3) of the water flow (E) to said turbine.

7. Installation according to claim 6, characterized in that said comparison means are integrated into a digital regulator (101) of the speed of rotation (V) of said turbine (1) in steady state.