FR3040568A1 - Systeme et procede de controle d'un reseau electrique d'un vehicule naval - Google Patents
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Abstract
Ce système de contrôle (50) d'un réseau électrique, notamment d'un véhicule naval, comprenant au moins un groupe électrogène (11) incluant un moteur thermique (55) et un alternateur (57), est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (100) de contrôle de puissance, configuré pour déterminer au moins une puissance électrique de consigne (Puref, Quref) devant être fournie par le ou chaque groupe électrogène (11) pour alimenter ledit réseau électrique, en fonction de la charge requise par ledit réseau électrique, et pour déterminer, en fonction de ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref), au moins une fréquence de consigne (fi, fref) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), en vue d'une transition de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène (11) vers la fréquence de consigne (fi, fref).
Description
Système et procédé de contrôle d’un réseau électrique d’un véhicule naval
La présente invention concerne un système de contrôle d’un réseau électrique, notamment d’un véhicule naval, ledit réseau électrique comprenant au moins un groupe électrogène incluant un moteur thermique et un alternateur. L'invention s'applique en particulier à l'alimentation en énergie électrique de navires.
De manière classique, une telle alimentation est fournie par un ensemble de groupes électrogènes comprenant chacun un moteur thermique, en particulier un moteur diesel, et un alternateur. Généralement, un moteur thermique fonctionne à vitesse fixe afin de fournir une alimentation électrique à une fréquence fixe, par exemple 60Hz. En particulier, un moteur thermique est équipé d’un régulateur de vitesse, intégré au système d’injection de carburant dans le moteur, propre à maintenir la vitesse du moteur à une valeur fixe. Notamment, une diminution de la charge demandée par le réseau entraîne une diminution du régime moteur, qui se traduit par une augmentation de la consommation spécifique du moteur diesel.
Afin de réduire la consommation globale des moteurs thermiques, il a été proposé de faire varier la vitesse de rotation de ces moteurs en fonction de la charge électrique délivrée. Cependant, une variation de la vitesse de rotation d’une machine thermique induit une variation de la tension et de la fréquence fournie par l’alternateur qui n’est, en général, pas compatible du besoin des utilisateurs.
Pour résoudre ce problème, on connaît du document FR 2 571 019 un système d’alimentation de bord comprenant un moteur diesel propre à entraîner à vitesse variable un premier alternateur, un redresseur destiné à redresser le courant de sortie du premier alternateur pour fournir un courant continu, un moteur à courant continu alimenté par le redresseur et propre à entraîner à vitesse variable un deuxième alternateur. Ce deuxième alternateur délivre au réseau une fréquence et une tension fixes.
Cette solution n’est cependant pas entièrement satisfaisante, notamment en termes de masse, de volume, et de rendement.
Un but de l'invention est donc de proposer un système de contrôle d’un réseau électrique comprenant au moins un groupe électrogène capable d’adapter le point de fonctionnement du réseau en fonction de la charge requise, tout en garantissant la stabilité du réseau. A cet effet, l’invention a pour objet un système du type précité, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de contrôle de puissance, configuré pour déterminer au moins une puissance électrique de consigne devant être fournie par le ou chaque groupe électrogène pour alimenter ledit réseau électrique, en fonction de la charge requise par ledit réseau électrique, et pour déterminer, en fonction de ladite puissance électrique de consigne, au moins une fréquence de consigne de fonctionnement de ladite machine thermique, en vue d’une transition de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène vers la fréquence de consigne.
Selon d’autres caractéristiques de ce système prises isolément ou en combinaison : - le système de contrôle comprend en outre un dispositif de régulation configuré pour déterminer, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne et une puissance courante fournie par ledit groupe électrogène, et d’un écart entre ladite fréquence de consigne et une fréquence courante fournie par ledit groupe électrogène, par application d’une fonction de régulation, au moins une grandeur de consigne pour ledit groupe électrogène ; - ladite fonction de régulation dépend de ladite fréquence de consigne ; - ledit dispositif de régulation est configuré pour déterminer, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne et la puissance courante fournie par ledit groupe électrogène, et d’un écart entre ladite fréquence de consigne et la fréquence courante fournie par ledit groupe électrogène, par application de ladite fonction de régulation, une vitesse de rotation de consigne dudit moteur thermique ; - ledit système de contrôle comprend un dispositif de régulation primaire du groupe électrogène, ledit dispositif de régulation primaire étant configuré pour recevoir ladite grandeur de consigne, et pour commander ledit groupe électrogène (par application de la ou de chaque grandeur de consigne audit groupe électrogène ; - ledit dispositif de régulation primaire est configuré pour commander ledit moteur thermique pour que la vitesse de rotation dudit moteur thermique soit égale à ladite vitesse de rotation de consigne ; - ledit dispositif de régulation primaire est configuré pour adapter un débit d’admission d’un fluide dans ledit moteur thermique pour que la vitesse de rotation dudit moteur thermique soit égale à ladite vitesse de rotation de consigne ; - ledit dispositif de régulation primaire est configuré pour commander ledit alternateur pour que ledit alternateur produise une tension égale à une tension de consigne; - ledit alternateur comporte un inducteur alimenté par un courant inducteur électrique, et ledit dispositif de régulation primaire est configuré pour adapter ledit courant inducteur pour que ledit alternateur produise une tension égale à ladite tension de consigne ; - ladite fréquence de consigne est comprise dans une plage de fréquence de fonctionnement prédéterminée, et ladite tension de consigne est constante dans ladite plage de fréquence prédéterminée ; - ledit dispositif de contrôle de puissance est configuré pour déterminer une puissance active de consigne, et une puissance réactive de consigne devant être fournies par le ou chaque groupe électrogène pour alimenter ledit réseau électrique, et pour déterminer ladite fréquence de consigne de fonctionnement dudit moteur thermique en fonction de ladite puissance active de consigne et de ladite puissance réactive de consigne ; - ledit dispositif de contrôle de puissance est configuré pour déterminer, en fonction de ladite puissance électrique de consigne, une fréquence de consigne finale de fonctionnement dudit moteur thermique, et au moins une fréquence de consigne intermédiaire de fonctionnement dudit moteur thermique, comprise entre une fréquence courante dudit moteur thermique et ladite fréquence de consigne finale. L’invention a également pour objet un procédé de contrôle d’un réseau électrique, notamment d’un véhicule naval, ledit réseau électrique comprenant au moins un groupe électrogène incluant un moteur thermique et un alternateur, ledit procédé de contrôle étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de détermination d’un point de fonctionnement optimal pour ledit groupe électrogène en fonction de la charge requise par ledit réseau électrique, ladite étape de détermination comprenant : - la détermination d’au moins une puissance électrique de consigne devant être fournie par le ou chaque groupe électrogène pour alimenter ledit réseau électrique, en fonction de la charge requise par ledit réseau, - la détermination, en fonction de ladite puissance électrique de consigne, d’au moins une fréquence de consigne de fonctionnement dudit moteur thermique, en vue d’une transition de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène vers la fréquence de consigne.
Selon d’autres caractéristiques de ce procédé prises isolément ou en combinaison : - le procédé comprend en outre une étape de détermination, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne et une puissance courante fournie par ledit groupe électrogène, et d’un écart entre ladite fréquence de consigne et une fréquence courante fournie par ledit groupe électrogène, par application d’une fonction de régulation, d’au moins une grandeur de consigne pour ledit groupe électrogène, ladite fonction de régulation dépendant avantageusement de ladite fréquence de consigne ; - ladite étape de détermination comprend la détermination, en fonction de ladite puissance électrique de consigne, d'une fréquence de consigne finale de fonctionnement dudit moteur thermique, et le procédé comprend en outre : - une étape de comparaison d’un écart entre la fréquence courante fournie par ledit groupe électrogène et ladite fréquence de consigne finale à un seuil d’écart prédéterminé, et, - si ledit écart est supérieur au seuil d’écart prédéterminé, une étape de détermination d’au moins une fréquence intermédiaire de consigne, comprise entre la fréquence courante et la fréquence de consigne finale, en vue d’une transition progressive de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène vers la ou les fréquence(s) intermédiaire(s) de consigne progressivement, puis vers la fréquence de consigne finale. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la Figure 1 est une représentation schématique d’un réseau électrique comprenant un système de contrôle selon un mode de réalisation de l’invention, la Figure 2 est une représentation, schématique d’un système de contrôle d’un groupe électrogène du réseau de la Figure 1 ; la Figure 3 est un schéma illustrant la transition de la fréquence de fonctionnement du réseau de la Figure 1 d’une fréquence initiale jusqu’à une fréquence finale, la Figure 4 est un schéma synoptique illustrant la mise en œuvre d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
On a illustré de manière schématique, sur la Figure 1, un réseau électrique 3 d’un bâtiment de surface.
Le réseau électrique 3 comprend deux sous-réseaux électriques 5 et 7 indépendants. Les deux sous-réseaux électriques 5 et 7 sont similaires.
Chaque sous-réseau 5, 7 comprend un tableau principal 8 incluant un bus 9 de circulation de courant électrique, appelée par la suite barre 9 de courant électrique, et deux groupes électrogènes 11 reliés à la barre 9 de courant électrique par l’intermédiaire de premiers disjoncteurs 13.
Le réseau électrique 3 comprend par ailleurs une traverse 21 de liaison électrique entre les barres 9 de courant électrique, et deux deuxièmes disjoncteurs 23 connectés entre chaque extrémité de la traverse et la barre 9 de courant électrique respective.
Chaque sous-réseau 5, 7 comprend en outre une chaîne 27 de propulsion et une chaîne 29 de distribution, chacune alimentée par les groupes électrogènes 11 via la barre 9 de courant électrique respective.
Chaque sous-réseau 5, 7 comprend ainsi un troisième disjoncteur 31 connecté entre la barre 9 et la chaîne 27 de propulsion, et un quatrième disjoncteur 33 connecté entre la barre 9 et la chaîne 29 de distribution.
Les pouvoirs de coupure et de fermeture des disjoncteurs 13, 23, 31 et 33 sont adaptés pour un fonctionnement sur une plage de fréquence prédéfinie, notamment entre 40 Hz et 60 Hz. Ainsi, les pouvoirs de coupure et de fermeture des disjoncteurs 13, 23, 31 et 33 sont de préférence choisis supérieurs à une valeur prédéterminée lorsque la fréquence est égale à la borne inférieure de la plage de fréquence prédéfinie, par exemple 40 Hz. Ceci permet de garantir un pouvoir de coupure et de fermeture sur l’ensemble de la plage de fréquence prédéfinie.
Chaque chaîne 27 de propulsion comprend un moteur électrique 35 de propulsion, et un module 37 d’alimentation électrique.
Le module 37 d’alimentation électrique comprend un convertisseur statique propre à recevoir en entrée une tension à une fréquence variable et à délivrer en sortie au moteur électrique 35 de propulsion une tension donnée à une fréquence donnée en fonction de la vitesse de rotation du moteur électrique 35 de propulsion souhaitée.
Chaque chaîne 29 de distribution comprend un transformateur 39 de distribution configuré pour délivrer une tension donnée, notamment 400 V, à un réseau secondaire de bord.
Le réseau secondaire de bord est alimenté par le transformateur 39 de distribution via une armoire by-pass 43 qui, dans un premier mode, appelé mode by pass, délivre directement au réseau secondaire de bord 41 le courant électrique issu du transformateur 39 de distribution, et, dans un deuxième mode, délivre le courant électrique issu du transformateur 39 de distribution au réseau secondaire de bord 41 via un convertisseur 45. Le premier mode est activé lorsque la fréquence de fonctionnement des groupes électrogènes est fixe, tandis que le deuxième mode est activé lorsque la fréquence est variable, comme décrit ci-après.
Le convertisseur 45 est propre à recevoir en entrée une tension à une fréquence variable et à délivrer en sortie au réseau secondaire de bord 41 une tension donnée, notamment 400 V, à une fréquence fixe, notamment 60 Hz.
Chaque sous-réseau 5, 7 comprend en outre un système de contrôle 50 de ce sous-réseau, représenté sur la Figure 2.
En référence à la Figure 2, chaque groupe électrogène 11 comprend un moteur thermique 55, par exemple un moteur diesel, et un alternateur 57 entraîné par le moteur thermique 55. Chaque groupe électrogène 11 est configuré pour fournir une tension électrique U à une fréquence f comprise dans un intervalle de fonctionnement prédéfini, par exemple entre 40 Hz et 60 Hz.
Chaque groupe électrogène 11 comprend un dispositif 59 de régulation primaire de la tension U fournie par le groupe électrogène 11 et du régime du moteur thermique 55, c’est-à-dire de la vitesse de rotation V du moteur thermique 55.
Le dispositif 59 de régulation primaire est configuré pour commander le groupe électrogène afin que la vitesse V du moteur thermique soit égale à une vitesse de consigne Vref et que la tension U délivrée par l’alternateur soit égale à une tension de consigne Uref.
Le dispositif 59 de régulation primaire comprend un régulateur 60 de vitesse, adapté pour commander l’injection de carburant dans le moteur thermique 55 afin que la vitesse de rotation V du moteur thermique 55 soit égale à la vitesse de rotation de consigne Vref. Par exemple, le régulateur 60 de vitesse comporte un circuit de régulation configuré pour générer, à partir d’un écart entre une vitesse de rotation courante notée Vmes du moteur thermique 55 et la vitesse de rotation de consigne Vref, un signal imposant un débit de consigne Dref de carburant devant être injectée dans le moteur thermique 55 pour atteindre la vitesse de rotation de consigne Vref- La régulation mise en oeuvre par le régulateur 60 de vitesse est une commande adaptative, adaptée au point de fonctionnement Vref.
Le statisme du régulateur 60 de vitesse, destiné à garantir une répartition équilibrée de la production entre les groupes électrogènes lorsque plus d’un groupe électrogène est en fonctionnement, est positionné autour de la vitesse de consigne Vref. Ce statisme vitesse est par exemple compris entre 3% et 5%. Lors d’une modification de la fréquence de fonctionnement, la droite de statisme associée de déplace pour se positionner autour de la vitesse de consigne Vref, l’erreur liée au statisme restant inchangée. Le dispositif 59 de régulation primaire comprend également un régulateur 64 de tension, propre à maintenir en sortie de l’alternateur 57 une tension égale à la tension de consigne Uref.
Le régulateur 64 de tension est en particulier configuré pour comparer en chaque instant la valeur de la tension Umes délivrée en sortie de l’alternateur à la tension de consigne Uref, et pour déterminer, à partir de l’écart entre la tension Umes délivrée en sortie de l’alternateur et la tension de consigne Uref, une valeur de courant inducteur consigne lref devant être fournie par le système d’auto-excitation du rotor de l’alternateur 57 afin de faire tendre la tension Um0S délivrée en sortie de l’alternateur vers la tension de consigne Uref.
Comme décrit ci-après, la tension Uref souhaitée en sortie du groupe électrogène 11 a une valeur constante, indépendamment de la vitesse de rotation du moteur thermique 55. Or, à courant inducteur constant, une baisse de la vitesse de rotation du moteur thermique 55 entraîne une baisse de la tension délivrée par l’alternateur 57.
Afin de maintenir une tension Umes délivrée égale à la tension Uref, et une tension de sortie constante, le régulateur 64 de tension est configuré pour commander une valeur de courant inducteur consigne lref comprise entre une valeur maximale lmax correspondant à une vitesse minimale de rotation du moteur thermique 55 et une valeur minimale lmm correspondant à une vitesse maximale de rotation du moteur thermique 55, la valeur du courant inducteur consigne lref étant une fonction décroissante, notamment linéaire, de la vitesse de rotation du moteur thermique 55.
Un statisme du régulateur 64 de tension est défini autour de la tension de consigne Uref. Lors d’une modification de la fréquence de fonctionnement, la tension de consigne reste inchangée, et le statisme du régulateur 64 de tension est donc maintenu.
Ainsi, le dispositif 59 de régulation primaire est apte déterminer, à partir d’une vitesse de consigne Vref et d’une tension de consigne Urefl des grandeurs de consigne, dans le cas présent une quantité de carburant devant être injectée dans le moteur thermique 55 et valeur de courant inducteur consigne lref devant être fournie par le système d’auto-excitation du rotor de l’alternateur 57 afin que la vitesse de rotation du moteur thermique 55 tende vers la vitesse de consigne Vref et que la tension délivrée par l’alternateur 57 tende vers la tension de consigne Uref.
La vitesse de rotation courante Vmes du moteur thermique 55, la tension Umes et la fréquence fmes délivrée en sortie de l’alternateur 57 sont par exemple déterminées par des dispositifs de mesure 65 connus.
Chaque groupe électrogène 11 est apte à fournir une puissance active unitaire Pu et une puissance réactive unitaire Qu, l’ensemble des groupes électrogènes 11 fournissant une puissance active totale notée Pt et une puissance réactive totale notée Qt.
Les puissances active Pumes et réactive Qumes fournies par le groupe électrogène 11 sont par exemple déterminées par les dispositifs de mesure 65.
Le système de contrôle 50 est configuré pour fonctionner selon deux modes distincts.
Dans un mode dit « normal », le système de contrôle 50 est apte à assurer un fonctionnement des groupes électrogènes 11 qui délivrent une tension constante, par exemple 690 V, à une fréquence constante, notamment 60 Hz.
Dans un mode dit « économique », le système de contrôle 50 est configuré pour contrôler les groupes électrogènes 11 du sous-réseau 5, 7 associé en vue d’optimiser leur consommation en fonction de la charge électrique à délivrer, en particulier en adaptant la fréquence délivrée par les groupes électrogènes 11, tout en assurant une stabilité dynamique du réseau 3 quelle que soit la fréquence fournie. A cette fin, le système de contrôle 50 comprend un dispositif 100 de contrôle de puissance et un dispositif 102 de régulation secondaire. Le système de contrôle 50 inclut également le dispositif 59 de régulation primaire de chaque groupe électrogène 11.
Le dispositif 100 de contrôle de puissance est configuré pour déterminer la puissance active totale Ptref et la puissance réactive totale CW de consigne requises par le sous-réseau 5, 7.
Le dispositif 100 de contrôle de puissance est par ailleurs configuré pour déterminer, en fonction des puissances active totale P^f et réactive totale CW requises, une puissance active unitaire de consigne Puref et une puissance réactive unitaire de consigne Quref que doit fournir chaque groupe électrogène 11 pour obtenir les puissances active et réactive totales Ptref et CW
Afin d’égaliser les fréquences de fonctionnement des groupes électrogènes, les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref sont choisies égales pour l’ensemble des groupes électrogènes 11. Ainsi, pour un sous-réseau 5, 7 comprenant N groupes électrogènes 11, les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref sont respectivement égales à Ptref/N et Qt^N.
Le dispositif 100 de contrôle est en outre configuré pour déterminer, en fonction de la puissance active Puref et de la puissance réactive Quref unitaires de consigne devant être fournies par chaque groupe électrogène 11, une fréquence électrique de consigne finale fret de sortie des alternateurs 57. La fréquence de consigne finale fref est comprise dans l’intervalle de fonctionnement prédéfini pour les groupes électrogènes 11, par exemple entre 40 Hz et 60 Hz. La fréquence de consigne fref finale est de préférence déterminée comme la fréquence électrique impliquant une consommation spécifique des moteurs thermiques 55 optimale.
Afin de ne pas provoquer une variation de fréquence trop brusque sur le réseau, qui serait susceptible de provoquer une instabilité, le dispositif 100 de contrôle de puissance est propre comparer l’écart entre la fréquence courante fmes fournie par les groupes électrogènes 11 et la fréquence de consigne finale fref à un seuil d’écart prédéterminé.
Ce seuil d’écart prédéterminé correspondant à un écart au-delà duquel une transition directe de la fréquence courante fmes à la fréquence de consigne serait susceptible de provoquer une instabilité.
Si l’écart entre la fréquence courante fm0S et la fréquence de consigne finale fref est supérieure au seuil d’écart prédéterminé, le dispositif 100 de contrôle de puissance est configuré pour déterminer au moins une fréquence intermédiaire de consigne fj, comprise entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale frefl en vue d’une transition progressive de la fréquence de sortie des groupes électrogènes depuis la fréquence courante fmes vers la fréquence intermédiaire de consigne fj ou vers chaque fréquence intermédiaire de consigne f, successivement, puis vers la fréquence de consigne finale fref.
En particulier, le dispositif 100 de contrôle de puissance est configuré pour déterminer une rampe de transition de fréquence de la fréquence courante W à la fréquence de consigne finale fref. Par ailleurs, le dispositif 100 de contrôle de puissance est configuré pour échantillonner la rampe de transition pour déterminer, en au moins un instant de transition donné, une fréquence intermédiaire de consigne f| destinée à être commandée aux groupes électrogènes 11, via le dispositif 102 de régulation secondaire, en cet instant de transition. Les fréquences intermédiaires de consigne fj sont destinées à être commandées de manière progressive aux groupes électrogènes 11, via le dispositif 102 de régulation secondaire.
La Figure 3 illustre ainsi à titre d’exemple plusieurs fréquences intermédiaires de consigne f1( f2, f3, U, comprises entre une fréquence initiale f=40 Hz et une fréquence de consigne finale fref=60 Hz.
De préférence, la pente et l’échantillonnage de la rampe sont déterminés en fonction de l’écart entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale fref, en fonction du temps de réponse des moyens primaires de régulation et du dispositif 102 de régulation secondaire.
Le dispositif 100 de contrôle de puissance est ainsi apte à déterminer, à partir de la puissance active totale Ptref et de la puissance réactive totale CW requises par le réseau électrique 3, des puissances active et réactive unitaires Puref et Quref devant être fournies par chaque groupe électrogène 11 afin que la puissance active totale Ptref et de la puissance réactive totale CW soient effectivement fournies au réseau électrique 3, et une fréquence de consigne finale fref pour la tension fournie par chaque groupe électrogène, en fonction des puissances active et réactive unitaires Puref et Quref, afin de minimiser la consommation spécifique des moteurs thermiques 55.
Le dispositif 100 de contrôle de puissance est apte à transmettre les puissances active et réactive unitaires Puref et Quref, ainsi que la fréquence de consigne finale fref et, le cas échéant, les fréquences intermédiaires de consigne l, au dispositif 102 de régulation secondaire. En particulier, le dispositif 100 de contrôle de puissance est apte à transmettre successivement au dispositif 102 de régulation secondaire les fréquences intermédiaires de consigne f successives, jusqu’à la fréquence de consigne finale fref, en vue de l’atteinte par chacun des groupes électrogènes 11 de chaque fréquence intermédiaire de consigne f,, jusqu’à la fréquence de consigne finale fref,
On appellera par la suite « fréquence de consigne » la fréquence de consigne finale fref ou une fréquence intermédiaire de consigne fj.
Le dispositif 102 de régulation secondaire est configuré pour déterminer, pour chaque groupe électrogène 11, une vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 et une tension de consigne Uref pour l’alternateur 57 afin d’attendre les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref et la fréquence de consigne transmise par le dispositif 100 de contrôle de puissance. Comme indiqué ci-dessus, cette fréquence de consigne est soit la fréquence de consigne finale fref, soit une fréquence intermédiaire de consigne fj.
La vitesse de rotation de consigne Vref et la tension de consigne Uref sont déterminées à partir d’un écart entre les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref et les puissances active Pumes et réactive Qumes unitaires courantes fournies par le groupe électrogène 11, et à partir d’un écart entre la fréquence de consigne frei ou f, et la fréquence courante fmes fournie par le groupe électrogène.
De préférence, le dispositif 102 de régulation secondaire comprend, pour chaque groupe électrogène, un module de régulation secondaire apte à déterminer la vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 et la tension de consigne Uref pour l’alternateur 57.
La tension de consigne Uref a de préférence une valeur constante, afin que chaque groupe électrogène 11 fournisse en sortie une tension constante indépendamment des puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref et de la fréquence de consigne fref.
La vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 est déterminée en fonction de l’écart entre les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref et les puissance active et réactive unitaires courante fournie par le groupe électrogène 11, et en fonction de l’écart entre la fréquence de consigne fref ou f, et la fréquence courante fmes, par application d’une fonction de régulation.
Cette fonction de régulation dépend elle-même de la fréquence de consigne.
Ainsi, le dispositif 102 de régulation secondaire est apte à déterminer, à partir de la fréquence de consigne fref ou fj, une fonction de régulation, et pour déterminer, par application de cette fonction de régulation, la vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55. La régulation mise en œuvre par le dispositif 102 de régulation secondaire est ainsi une commande adaptative, adaptée au point de fonctionnement fref.
En outre, le dispositif 102 de régulation secondaire est apte à transmettre la vitesse de rotation de consigne Vref et la tension de consigne Uref ainsi déterminées pour chaque groupe électrogène 11 au dispositif 59 de régulation primaire de ce groupe électrogène 11, en vue de commander le groupe électrogène 11 afin que la vitesse V du moteur thermique 55 soit égale à la vitesse de consigne Vref et que la tension U délivrée par l’alternateur 57 soit égale à la tension de consigne Uref. La droite de statisme du régulateur 60 de vitesse est déplacée autour de la vitesse de rotation de consigne Vref, tandis que le statisme du régulateur 64 de tension est maintenu.
Un procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour le contrôle du réseau électrique 3 de la Figure 1, va maintenant être décrit en référence à la Figure 4.
Dans un état initial 200, la fréquence de fonctionnement du réseau est fixe, par exemple égale à 60 Hz, et la puissance unitaire fournie par les groupes électrogènes 11 est notée P,.
Chaque groupe électrogène 11 fournit une tension de 690 V, à une fréquence fixe, notamment de 60 Hz. Les groupes électrogènes 11 redistribuent l’énergie produite vers les tableaux principaux 8 qui alimentent les chaînes 27 de propulsion et les chaînes 29 de distribution.
En particulier, la fréquence demandée par les utilisateurs du réseau secondaire de bord 41 étant directement celle générée par les groupes électrogènes 11, le réseau secondaire de bord 41 est alimentée par l’armoire by-pass 43 en mode by pass.
Un tel état initial 200 correspond à un fonctionnement en mode « normal » du réseau électrique 3, qui est par exemple choisi lorsque les groupes électrogènes sont employés à charge nominale.
Lors d’une étape 202 de transition, le dispositif 100 de contrôle de puissance détecte une commutation du mode « normal » de fonctionnement au mode « économique », par exemple initiée par un opérateur.
Lors de l’étape 202 de transition, le disjoncteur de l’armoire by-pass 43 s’ouvre, de telle sorte que le réseau secondaire de bord 41 reçoit le courant électrique issu du transformateur 39 de distribution au réseau secondaire de bord 41 via le convertisseur 45.
Ceci permet de s’assurer que le réseau secondaire de bord 41 reçoive une tension fixe à une fréquence fixe dans le mode « économique ».
Lors d’une étape 204, le dispositif 100 de contrôle de puissance détermine un point de fonctionnement optimal pour les groupes électrogènes 11 en fonction de la charge requise par le sous-réseau 5, 7.
En particulier, lors de l’étape 204, le dispositif 100 de contrôle de puissance détermine la puissance active totale Ptref et la puissance réactive totale Qtref de consigne requises par le sous-réseau 5, 7, et détermine, en fonction des puissances active totale Ptref et réactive totale Qtref requises, une puissance active unitaire de consigne Puref et une puissance réactive unitaire de consigne Quref que doit fournir chaque groupe électrogène 11 du sous-réseau 5, 7, pour fournir les puissances active et réactive totales Ptref et CW
Comme indiqué ci-dessus, les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref sont choisies égales pour l’ensemble des groupes électrogènes 11. Ainsi, pour le sous-réseau 5 ou 7 comprenant 2 groupes électrogènes 11, les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref sont respectivement égales à Ptref/2 et Qtref/2.
Lors de l’étape 204, le dispositif 100 de contrôle détermine ensuite, en fonction de la puissance active Puref et de la puissance réactive Quref unitaires de consigne devant être fournies par chaque groupe électrogène 11, une fréquence électrique de consigne finale fref de sortie des alternateurs 57. La fréquence de consigne finale fref est comprise dans l’intervalle de fonctionnement prédéfini pour les groupes électrogènes 11, par exemple entre 40 Hz et 60 Hz. Cette fréquence est déterminée à partir des caractéristiques du champ du moteur thermique. La consigne de vitesse est déterminée à partir d’un point de consommation spécifique optimal du moteur en fonction de la puissance à fournir.
La fréquence de consigne finale fref est de préférence déterminée lors de l’étape 204 comme la fréquence électrique impliquant une consommation spécifique des moteurs thermiques 55 optimale en fonction de la puissance active Puref et de la puissance réactive Quref unitaires de consigne.
Puis, dans une étape 206, le dispositif 100 de contrôle de puissance compare l’écart entre la fréquence courante fmes fournie par les groupes électrogènes 11, dans le cas présent 60Hz, et la fréquence de consigne finale fref, au seuil d’écart prédéterminé, correspondant à un écart au-delà duquel une transition directe de la fréquence courante de 60 Hz à la fréquence de consigne serait susceptible de provoquer une instabilité.
Si l’écart entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale fref est inférieur au seuil d’écart prédéterminé, le dispositif 100 de contrôle de puissance transmet au dispositif 102 de régulation secondaire, lors d’une unique étape 208, la fréquence de consigne finale fref, ainsi que la puissance active Puref et la puissance réactive Quref unitaires de consigne devant être fournies par chaque groupe électrogène 11.
Si au contraire l’écart entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale fref est supérieur au seuil d’écart prédéterminé, le dispositif 100 de contrôle de puissance détermine lors d’une l’étape 210 au moins une fréquence intermédiaire de consigne f,, comprise entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale fref, en vue d’une transition progressive de la fréquence de sortie des groupes électrogènes depuis la fréquence courante fmes vers la fréquence intermédiaire de consigne f ou vers chaque fréquence intermédiaire de consigne f successivement, puis vers la fréquence de consigne finale fref.
En particulier, le dispositif 100 de contrôle de puissance détermine lors de l’étape 210 une rampe de transition de fréquence de la fréquence courante fmes à la fréquence de consigne finale fref, et échantillonne la rampe de transition pour déterminer, en au moins un instant de transition donné tj, une fréquence intermédiaire de consigne fj destinée à être commandée aux groupes électrogènes 11, via le dispositif 102 de régulation secondaire, en cet instant de transition.
De préférence, la pente et l’échantillonnage de la rampe sont déterminés en fonction de l’écart entre la fréquence courante fmes et la fréquence de consigne finale fref, en fonction du temps de réponse des moyens primaires de régulation et du dispositif 102 de régulation secondaire.
Puis, lors d'une pluralité d’étapes 208, le dispositif 100 de contrôle de puissance transmet progressivement au dispositif 102 de régulation secondaire les fréquences intermédiaires de consigne fi successives, jusqu’à la fréquence de consigne finale fref, ainsi que la puissance active Puref et la puissance réactive Quref unitaires de consigne devant être fournies par chaque groupe électrogène 11. A la suite de l'étape 208 ou de chaque étape 208, le dispositif 102 de régulation secondaire et le dispositif 59 de régulation primaire mettent en œuvre une étape 220 de modification du point de fonctionnement de chaque groupe électrogène 11 afin que celui-ci fournisse la puissance active Puref et la puissance réactive Quref, avec une fréquence égale à la fréquence de consigne finale fref ou la fréquence intermédiaire de consigne fj reçue lors de l’étape 208.
Lors de chaque étape 220, le dispositif 102 de régulation secondaire détermine, lors d’une phase 222, pour chaque groupe électrogène 11, une vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 et une tension de consigne Uref pour l’alternateur 57 afin d’attendre les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref. La vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 est déterminée à partir d’un écart entre les puissances active et réactive unitaires de consigne Pur0f et Quref et les puissances active Pumes et réactive Qumes unitaires courantes fournies par le groupe électrogène 11, et à partir d’un écart entre la fréquence de consigne fref ou la dernière fréquence intermédiaire de consigne fj reçue et la fréquence courante fmes fournie par le groupe électrogène 11.
La tension de consigne Uref a de préférence une valeur constante, fixée par exemple à 690 V.
En particulier, lors de la phase 222, le dispositif 102 de régulation secondaire détermine la vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55 par application d’une fonction de régulation. Cette fonction de régulation dépend elle-même de la fréquence de consigne fref ou de la dernière fréquence intermédiaire de consigne f reçue lors de l’étape 208.
Ainsi, la phase 222 comprend la détermination d’une fonction de régulation, qui dépend de la fréquence de consigne fref ou de la dernière fréquence intermédiaire de consigne f reçue lors de l’étape 208, suivie de l'application de cette fonction de régulation pour déterminer la vitesse de rotation de consigne Vref du moteur thermique 55.
Le dispositif 102 de régulation secondaire transmet la vitesse de rotation de consigne Vref et la tension de consigne Uref ainsi déterminées pour chaque groupe électrogène 11 au dispositif 59 de régulation primaire de ce groupe électrogène 11.
Lors d’une phase 224, le dispositif 59 de régulation primaire commande le groupe électrogène 11 afin que la vitesse V du moteur thermique soit égale à une vitesse de consigne Vref et que la tension U délivrée par l’alternateur soit égale à la tension de consigne Uref.
En particulier, le dispositif 59 de régulation primaire détermine, à partir de la vitesse de consigne Vref et de la tension de consigne Uref, des grandeurs de consigne, notamment un débit de carburant Dref devant être injectée dans le moteur thermique 55 et une valeur de courant inducteur consigne lref devant être fournie par le système d’autoexcitation du rotor de l’alternateur 57, afin que la vitesse de rotation du moteur thermique 55 tende vers la vitesse de consigne Vref tout en conservant une tension délivrée par l'alternateur 57 égale à la tension de consigne Uref.
Lors de la phase 224, le régulateur 60 de vitesse ajuste le débit d’injection de carburant dans le moteur thermique 55 afin que la vitesse de rotation V du moteur thermique 55 soit égale à la vitesse de rotation de consigne Vref. L'erreur de statisme du régulateur 60 de vitesse est par ailleurs modifiée pour se positionner autour du nouveau point de fonctionnement, c’est-à-dire la vitesse de consigne Vref, la valeur de l’erreur liée au statisme restant la même.
Par ailleurs, le régulateur 64 de tension maintient lors du changement de vitesse de rotation du moteur thermique 55 une tension égale à la tension de consigne Uref- en sortie de l’alternateur 57. Le statisme du régulateur 64 de tension est maintenu. A cette fin, le régulateur 64 de tension compare en chaque instant la valeur de la tension Umes délivrée en sortie de l’alternateur à la tension de consigne Uref, et détermine, à partir de l’écart entre la tension Umes délivrée en sortie de l’alternateur et la tension de consigne Uref, une valeur de courant inducteur consigne lref devant être fournie par le système d’auto-excitation du rotor de l’alternateur 57 afin de faire tendre la tension Umes délivrée en sortie de l’alternateur vers la tension de consigne Uref.
En raison de la baisse de la vitesse de rotation du moteur thermique lors de la phase 224, le régulateur 64 de tension commande lors de la phase 224 une augmentation du courant inducteur afin de maintenir la tension de sortie à la valeur souhaitée. A la suite de la ou de chaque étape 220, chaque groupe électrogène 11 délivre une tension Uref à une fréquence f qui est soit la fréquence de consigne fref, soit une fréquence intermédiaire de consigne fj. Dans ce dernier cas, une ou plusieurs étape(s) 220 supplémentaires sont mises en œuvre, à la suite de chaque étape 208, jusqu’à ce que chaque groupe électrogène 11 délivre une tension Uref à la fréquence de consigne fref.
Il est à noter que la suite des étapes 208 et 220 est mise en œuvre de façon synchronisée par les différents groupes électrogènes 11, de telle sorte que la transition d'une fréquence à une autre est réalisée de manière synchronisée par ces groupes électrogènes 11.
Puis, lors d’une étape 230, correspondant à un état de régime permanent, chaque groupe électrogène 11 délivre les puissances active et réactive unitaires de consigne Puref et Quref, à la fréquence de consigne fref. Dans ce régime permanent, la droite de statisme entre la puissance active demandée à chaque groupe électrogène 11 et la fréquence fournie est positionnée autour du point de fonctionnement correspondant à ce régime permanent.
Le système et le procédé selon l’invention permettent ainsi d’adapter le fonctionnement des groupes électrogènes 11 à la charge requise par le réseau, en optimisant la consommation spécifique des groupes électrogènes 11, et tout en garantissant la stabilité du réseau.
En particulier, le système de contrôle 50 permet d’assurer une stabilité dynamique du réseau quelle que soit la fréquence de choisie dans la plage de fonctionnement prédéterminée.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. -Système de contrôle (50) d’un réseau électrique (3, 5, 7), notamment d’un véhicule naval, ledit réseau électrique (3, 5, 7) comprenant au moins un groupe électrogène (11) incluant un moteur thermique (55) et un alternateur (57), ledit système de contrôle (50) étant caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (100) de contrôle de puissance, configuré pour déterminer au moins une puissance électrique de consigne (Puref, Quref) devant être fournie par le ou chaque groupe électrogène (11) pour alimenter ledit réseau électrique (3, 5, 7), en fonction de la charge requise par ledit réseau électrique (3, 5, 7), et pour déterminer, en fonction de ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref), au moins une fréquence de consigne (fj, fref) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), en vue d’une transition de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène (11) vers la fréquence de consigne (fi, ί„*).
- 2. - Système de contrôle (50) selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de régulation (102) configuré pour déterminer, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref) et une puissance courante (Pumes, Qumes) fournie par ledit groupe électrogène (11), et d’un écart entre ladite fréquence de consigne (fi, fref) et une fréquence courante (fmes) fournie par ledit groupe électrogène (11), par application d’une fonction de régulation, au moins une grandeur de consigne (Vref, ΙΙ„*) pour ledit groupe électrogène (11).
- 3. - Système de contrôle selon la revendication 2, dans lequel ladite fonction de régulation dépend de ladite fréquence de consigne (fi.fref).
- 4. - Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de régulation (102) est configuré pour déterminer, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne (PUref> Quref) et la puissance courante (Pumes, Qumes) fournie par ledit groupe électrogène (11), et d’un écart entre ladite fréquence de consigne (fref) et la fréquence courante (fmes) fournie par ledit groupe électrogène (11), par application de ladite fonction de régulation, une vitesse de rotation de consigne (Vref) dudit moteur thermique (55).
- 5. - Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ledit système de contrôle (50) comprend un dispositif (59) de régulation primaire du groupe électrogène (11), ledit dispositif (59) de régulation primaire étant configuré pour recevoir ladite au moins une grandeur de consigne (Vref), et pour commander ledit groupe électrogène (11) par application de la ou de chaque grandeur de consigne (Vref) audit groupe électrogène (11).
- 6. Système de contrôle selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit dispositif (59) de régulation primaire est configuré pour commander ledit moteur thermique (55) pour que la vitesse de rotation dudit moteur thermique (55) soit égale à ladite vitesse de rotation de consigne (Vref), ledit dispositif (59) de régulation primaire étant configuré pour adapter un débit d’admission d’un fluide dans ledit moteur thermique (55) pour que la vitesse de rotation dudit moteur thermique (55) soit égale à ladite vitesse de rotation de consigne (Vref).
- 7. - Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit dispositif (59) de régulation primaire est configuré pour commander ledit alternateur (57) pour que ledit alternateur (57) produise une tension égale à une tension de consigne (Uref), ledit alternateur (57) comportant un inducteur alimenté par un courant inducteur électrique, ledit dispositif (59) de régulation primaire étant configuré pour adapter ledit courant inducteur pour que ledit alternateur (57) produise une tension égale à ladite tension de consigne (11,^).
- 8. - Système de contrôle selon la revendication 7, dans lequel ladite fréquence de consigne (fref) est comprise dans une plage de fréquence de fonctionnement prédéterminée ([40 Hz, 60Hz]), et ladite tension de consigne (Uref) est constante dans ladite plage de fréquence prédéterminée ([40 Hz, 60Hz]).
- 9. - Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de contrôle de puissance (100) est configuré pour déterminer une puissance active de consigne (Puref), et une puissance réactive de consigne (Quref) devant être fournies par le ou chaque groupe électrogène (11) pour alimenter ledit réseau électrique (3, 5, 7), et pour déterminer ladite fréquence de consigne (fret) de fonctionnement dudit moteur thermique (55) en fonction de ladite puissance active de consigne (PUref) et de ladite puissance réactive de consigne (Quref)·
- 10. - Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de contrôle de puissance (100) est configuré pour déterminer, en fonction de ladite puissance électrique de consigne, une fréquence de consigne finale (fref) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), et au moins une fréquence de consigne intermédiaire (f,) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), comprise entre une fréquence courante (fmes) dudit moteur thermique (55) et ladite fréquence de consigne finale (fref).
- 11. - Procédé de contrôle d’un réseau électrique (3, 5, 7), notamment d’un véhicule naval, ledit réseau électrique (3, 5, 7) comprenant au moins un groupe électrogène (11) incluant un moteur thermique (55) et un alternateur (57), ledit procédé de contrôle étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape (204) de détermination d’un point de fonctionnement optimal pour ledit groupe électrogène (11) en fonction de la charge requise par ledit réseau électrique (3, 5, 7), ladite étape (204) de détermination comprenant : - la détermination d’au moins une puissance électrique de consigne (Puref, Quref) devant être fournie par le ou chaque groupe électrogène (11) pour alimenter ledit réseau électrique (3, 5, 7), en fonction de la charge requise par ledit réseau (3, 5, 7), -la détermination, en fonction de ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref), d’au moins une fréquence de consigne (f,, fref) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), en vue d’une transition de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène (11) vers la fréquence de consigne (ff, fæf).
- 12, - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape (220) de détermination, à partir d’un écart entre ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref) et une puissance courante (Pûmes, Qumes) fournie par ledit groupe électrogène (11), et d’un écart entre ladite fréquence de consigne (fi, fref) et une fréquence courante (fmes) fournie par ledit groupe électrogène (11), par application d’une fonction de régulation, d’au moins une grandeur de consigne (Vref, Uref) pour ledit groupe électrogène (11), ladite fonction de régulation dépendant avantageusement de ladite fréquence de consigne (fi,fref)·
- 13. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que ladite étape (204) de détermination comprend la détermination, en fonction de ladite puissance électrique de consigne (Puref, Quref), d’une fréquence de consigne finale (fref) de fonctionnement dudit moteur thermique (55), et en ce que le procédé comprend en outre : - une étape (206) de comparaison d’un écart entre la fréquence courante (fmes) fournie par ledit groupe électrogène (11) et ladite fréquence de consigne finale (fref) à un seuil d’écart prédéterminé, et, - si ledit écart est supérieur au seuil d’écart prédéterminé, une étape (210) de détermination d’au moins une fréquence intermédiaire de consigne (fj), comprise entre la fréquence courante (fmes) et la fréquence de consigne finale (fref), en vue d’une transition progressive de la fréquence fournie par ledit groupe électrogène (11) vers la ou les fréquence(s) intermédiaire(s) de consigne (f,) progressivement, puis vers la fréquence de consigne finale (fref).
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Citations (3)
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2015
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| SULLIGOI G ET AL: "The FREMM simulator: A new software tool to study electro-mechanic dynamics of the shipboard integrated power system", ELECTRICAL SYSTEMS FOR AIRCRAFT, RAILWAY AND SHIP PROPULSION (ESARS), 2012, IEEE, 16 October 2012 (2012-10-16), pages 1 - 6, XP032282781, ISBN: 978-1-4673-1370-4, DOI: 10.1109/ESARS.2012.6387450 * |
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