WO2017025664A1 - Système auxiliaire de stockage et de fourniture d'énergie électrique à usages multiples intégré à une centrale de production d'électricité - Google Patents

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WO2017025664A1
WO2017025664A1 PCT/FR2015/052182 FR2015052182W WO2017025664A1 WO 2017025664 A1 WO2017025664 A1 WO 2017025664A1 FR 2015052182 W FR2015052182 W FR 2015052182W WO 2017025664 A1 WO2017025664 A1 WO 2017025664A1
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network
power
auxiliary
group
electrical energy
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PCT/FR2015/052182
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Inventor
Hervé Biellmann
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Ge Energy Products France Snc
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J11/00—Circuit arrangements for providing service supply to auxiliaries of stations in which electric power is generated, distributed or converted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators

Definitions

  • the invention relates to the general field of electric power generation systems. It relates more particularly to
  • ancillary auxiliary network derived from the power-removal network of the power station itself connected to the electricity transmission network supplied by the power plant and to the power generation group.
  • these facilities also include a network of
  • These facilities also include various devices to provide various network services through the plant.
  • network service we mean the technical functionalities realized by the power plants
  • EP 2595266 (A1) describes in this connection an installation for producing electrical energy comprising means for generating electrical energy intended to be connected to a distribution network and means for storing part of the electrical energy produced. in the form of energy
  • the power generation plant thus described comprises a system for producing electrical energy, generated from kinetic energy stored in flywheels.
  • This system is associated with the main power generation group which supplies electrical power to the electricity distribution network in order to compensate for the inertia of the steam turbine which drives the generator of the main production group. if it is necessary for the plant to provide the primary response requested by the network and, on the other hand, to supply electricity to the auxiliary network of this plant.
  • This electrical energy production system is managed by a controller controlling the operation of the energy storage means and the connection thereof to the generation means and the electricity transmission network.
  • the document cited further describes a system for storing energy in the form of kinetic energy.
  • the storage and production of electrical energy by means of electrochemical generators can thus prove to be very competitive, in terms of cost, with respect to storage in the form of mechanical energy, especially when a large autonomy is required.
  • energy storage in kinetic form is very suitable for providing high powers for short times (of the order of a minute), but it is less for longer times (of the order of a minute). several minutes to several hours).
  • auxiliaries commonly called critical auxiliaries
  • a power plant require to be powered for periods of up to several hours, in case of failure of the normal power source of the auxiliary network of the plant. This is for example the case of shaft line lubrication systems which, in the event of failure of the plant's auxiliary network supply, must be maintained in operation in order to ensure its shutdown and restart in good conditions.
  • the power supply of the auxiliaries of a power plant is generally done, as illustrated in FIG. 1, by means of two types of distribution networks:
  • a main auxiliary network medium voltage 4 and low voltage 15, of AC type, the main function of this network being to supply, from the energy transmission network 1 or the main power generation group 2, the set of medium voltage auxiliaries 6 and low voltage 16 of the plant necessary for its proper operation.
  • auxiliaries are typically groups of motor pumps, actuators and auxiliary motors operating on average or low voltage, either fixed frequency or frequency variable, the frequency variation can be achieved by means of static frequency converters.
  • an auxiliary network 17 called "backup”, of DC type, the main function of which is to mitigate a failure of the main auxiliary network and to allow a maintenance operation, at least temporarily, critical auxiliaries of the plant in order to ensure the shutdown of the plant and its restart in good conditions.
  • the backup network of a power plant is therefore particularly constituted by a or more than one battery and other equipment operating in direct current, such as switchboards, control equipment and motors and actuators. These equipments, supplied with direct current, are coupled to the main auxiliary network 4, 15, by means of electronic circuits for converting alternating current into direct current. In normal operation of the unit, the batteries are recharged from the main auxiliary network 15. In the event of a malfunction, the batteries restore the stored electrical energy to the equipment operating in direct current.
  • auxiliary networks a main auxiliary network 4, 15 of alternating current and a direct current network 17, induces a complexity of implementation of the auxiliaries and generates problems. significant costs throughout the life cycle of the plant (eg during the design, commissioning and operation phases of the plant).
  • these two networks are partially redundant and the equipment operating in direct current, which constitutes in particular the emergency equipment of the critical auxiliaries, is less widespread than the equivalent equipment operating with alternating current and, therefore, generally more expensive.
  • these equipment and the elements which constitute them are exclusively dedicated to the emergency function in case of failure.
  • An object of the invention is to improve the capabilities of a power plant in terms of network services and operation while drastically simplifying the architecture of its auxiliary power distribution.
  • the subject of the invention is an ancillary system for the supply of electrical energy.
  • An additional system for the supply of electrical energy for an electricity generating station supplying an electric power transmission network, said production plant of electricity comprising at least one turbine coupled to an alternator forming a main power generation group which supplies an alternating current to an energy evacuation network connected to the transmission network, the energy evacuation network also supplying electricity a main auxiliary network, said main auxiliary network for supplying auxiliary equipment necessary for the operation of the plant.
  • the system according to the invention comprises a secondary electrical energy supply unit itself comprising at least one elementary unit for storing and restoring electrical energy in continuous form.
  • Said elemental unit comprises electrical energy storage elements coupled to reversible AC direct current converting means providing, on command, the charge of the storage elements from the electrical energy delivered by the main auxiliary network or the discharge of the electrical energy stored in the storage elements on said main auxiliary network.
  • the secondary power generation group is sized and designed so that it can:
  • the system according to the invention may have additional features.
  • the secondary power supply group is sized so as to be able to supply the electricity transmission network with the time profile of electric power making it possible to compensate for the inertia of the gas turbine and / or of the steam turbine during primary response supply requests.
  • the secondary power generation group comprises a plurality of elementary units each comprising at least one electrical energy storage element and a reversible AC-DC converter connected to the inputs of the storage element. .
  • the assembly is coupled to the electricity transmission network or the energy evacuation network or the main auxiliary network of the plant.
  • the elementary units are dimensioned to be able to produce when they are put into service simultaneously at least the requested power.
  • the plant being equipped with a first auxiliary thermal generator and / or a second emergency power generating unit, the secondary electrical power supply unit is dimensioned so as to be able to deliver power to the generator. less equivalent to that of the first auxiliary heat group or that of the second auxiliary heat group or to the sum of the powers of these two groups.
  • the secondary power supply group is dimensioned such that it provides sufficient power to allow itself to start the alternator of the main group, or that, the central being equipped with an auxiliary thermal generator connected, on command, to the main auxiliary network, it provides sufficient power for the addition of the power supplied by the storage means and the power supplied by the auxiliary thermal generator is sufficient to allow the alternator start of the main group.
  • the elementary cell of the secondary electrical energy supply group furthermore comprises complementary means for reversible conversion of direct current to alternating current, coupled to the elements for storing electrical energy.
  • These means are configured and arranged to allow the secondary power supply group to ensure, on command, the power supply of the alternator of the main group in the starting phase of the latter from the voltage available on the main auxiliary network and / or the energy available in the energy storage elements, or the load of the electrical energy storage elements and / or the supply of the main auxiliary electricity supply by withdrawing electrical energy by means of complementary conversion means directly to the terminals of the alternator when it is running.
  • the complementary DC reversible conversion means are configured so as to provide, on command, a supply voltage of variable frequency for supplying the engines of auxiliary equipment likely to operate at variable speed.
  • the elementary cell of the secondary electric power supply group furthermore comprises an additional additional DC-DC converter, connected in parallel to the complementary DC reversible conversion converting means, and making it possible to supply the alternator rotor of the generating set.
  • the complementary means of reversible AC direct current converting means are made from IGBT switches (isolated-gate bipolar transistors) controlled by appropriate means.
  • the system according to the invention further comprises control means making it possible to operate each of the reversible conversion means either as an AC-DC converter or as a DC-AC converter delivering a given fixed frequency alternating current or variable frequency.
  • the subject of the invention is also a power generation plant which comprises an auxiliary system for producing electrical energy according to the invention.
  • the proposed electrical energy storage and retrieval system can be advantageously configured to provide a certain time profile of primary reserve power and, once this reserve delivered primary, always be able to provide, following the power time profile required to power the critical auxiliaries of the plant for the desired duration.
  • the power profile of the primary response requires the provision of a high power only for a few minutes, which does not cause a complete discharge electrochemical generators provided that they are sized for this purpose.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the structure of an ancillary network of a plant according to the state of the art with auxiliary auxiliary equipment with direct current, as well as the principle of connection of the continuous power sources and alternatives to the various equipment of the plant;
  • FIG. 2 a block diagram showing the basic structure of a system according to the invention and its interconnection to the auxiliary circuit of a power plant;
  • FIG. 3 a block diagram showing the device according to the invention in an alternative embodiment and interconnection allowing it to provide additional functionality. It should be noted that in the different figures, the same structural or functional element is identified by the same numerical or alphanumeric reference.
  • FIG. 2 shows schematically the principle of implementation of the system according to the invention, in a first embodiment, within the power distribution network of a power plant.
  • This network typically comprises an energy evacuation network
  • Auxiliaries 6, 16 are constituted by the equipment necessary for the proper functioning of the plant, both the electrical and electronic management and control units, and the equipment performing tasks essential to the proper functioning of the main electricity generation group, such as for example the lubrication pumps of the main group 2 shaft line.
  • auxiliary thermal generators 14 and 11 the functions of which consist respectively of:
  • auxiliary heat unit 1 For the auxiliary heat unit 1 1, to provide extra energy to start the plant without power from the transport network 1.
  • the ancillary electric power supply system mainly comprises a secondary power supply group 7 capable of storing electrical energy taken from the power plant network. which it is integrated and to restore this energy to this same network.
  • the secondary group 7 mainly comprises one or more elementary units 8 of electrical power supply configured and arranged to be able to operate in parallel.
  • FIG. 2 shows a secondary group 7 comprising a single cell 8.
  • each elementary unit 8 comprises means 81 for storing electrical energy, constituted for example by electrochemical generators, in other words storage batteries. Since several elementary units can be used in parallel, it is possible to combine several storage means of different technologies in order to optimize the dimensioning and therefore the cost of the secondary group.
  • Each unit 8 also comprises one or more AC / DC reversible converters 82, each converter being preferably constituted by electronic power switches, of the bipolar transistor type with insulated gate, or IGBT according to the English terminology, whose operation is managed by the control means of the system.
  • the sizing of the secondary group 7 can be achieved either by sizing the different elements 81 and 82 of an elementary unit 8, or by varying the number of elementary units 8 constituting the secondary group 7 considered.
  • control means make it possible to operate the converters 82 of the different elementary units 8 either as an AC-DC converter or as a DC converter.
  • -AC delivering an AC current of given fixed frequency or variable frequency.
  • Each elementary unit 8 is moreover permanently connected, according to the power that it must develop, to the energy transport network 1 or to the energy evacuation network 10 or to the main auxiliary network 4, via a reversible converter 82 of continuous electrical energy into alternative electrical energy (conversion AC-DC and DC-AC conversion) and, if necessary, via a voltage matching transformer 83.
  • Each elementary unit 8 can also be connected to one or the other of these networks either directly at the converter (or one of the converters) 82, or via an adaptation transformer 83.
  • each elementary unit 8 can be put into service separately via the control means of the system.
  • the cutting into elementary units of the secondary power supply group 7 thus advantageously makes it possible, in the case where the secondary group 7 comprises several elementary units 8, to put into service only the number of elementary units corresponding to the need for inputting. expected energy.
  • the power dimensioning of the secondary group 7 can thus be achieved either by sizing the different elements 81 and 82 of an elementary unit 8, or by varying the number of elementary units 8 constituting the secondary group 7 considered.
  • Integration with a central unit of the system according to the invention makes it possible, by means of the control means of the system, to configure a secondary power supply group 7 to provide an auxiliary power supply.
  • a secondary power supply group 7 to provide an auxiliary power supply.
  • auxiliaries 6 and 16 operating as alternating current.
  • the secondary power supply group 7 can be sized to provide the power time profile corresponding to the required network service and the power time profile required to supply the critical auxiliaries and to enable, at least temporarily, their power supply. maintenance in operation, so as to ensure the shutdown of the plant and its restart in good conditions.
  • the control system of the storage system can control, by means of appropriate interfaces with the control system of said network, the power supply of the critical auxiliaries of the plant since energy storage elements. This characteristic of the system therefore makes it possible to drastically simplify the architecture of the auxiliary electrical distribution of the control unit by eliminating the auxiliary backup network 17, since it provides the same functionalities.
  • the secondary group 7 may, for example, be sized to be able to deliver instantly to the electricity transmission network 1 an electric power at least equal to the additional power to be provided by the steam turbine of the main group 2 in case of primary response request. In this way, the inertia of the steam turbine is compensated by the speed of the response of the secondary group 7 and the main group 2 can thus operate continuously at a higher power.
  • the primary response corresponds to the fraction of the nominal power of the main group 2 that it must be able to deliver to the network in a very short time.
  • the primary response corresponds to the fraction of the nominal power of the main group 2 that it must be able to deliver to the network in a very short time.
  • the secondary group 7 can be sized to be able to deliver, in addition to the required power time profile. for supplying the critical auxiliaries, a power at least equivalent to that of the auxiliary heat unit 1 1.
  • Such a dimensioning then makes it possible advantageously to use this thermal group in order to provide network services, such as, for example, the primary response. Indeed it is possible, by means of the control system of the storage system, to quickly control the discharge of the storage elements in order to quickly provide on the auxiliary network of the plant a power equivalent to that of the black-start group 1 1, and to control the startup of it so that it replaces the storage system after its startup sequence completed.
  • Such a principle can also be implemented to perform network services by means of the backup thermal generator 14, and / or to ensure uninterrupted power supply of the loads supplied by this backup group in the event of a failure of the network supply.
  • main assistant The modular structure of the secondary power supply group 7, associated with the use of reversible DC conversion means 82, configurable by means of the control means of which the system according to the invention is provided makes it possible to advantageously to simplify the composition and organization of ancillary means which a power plant may need in different circumstances.
  • the system for producing additional electrical energy according to the invention can be implemented to provide certain network services when the plant is at a standstill.
  • the block diagram described in FIG. 2 shows that it is possible to connect the system to the electricity transmission network 1, through the group transformer 3 and the auxiliary transformer 5, so that it delivers to the transmission network the electrical energy stored in the batteries 81 of the cells 8 constituting the secondary group 7.
  • the control system of this system can be interfaced directly with the control system of the transport network 1, and / or with the control system of the main group 2 to control the control and protection devices such as the group circuit breaker 22 or the line circuit breaker 23.
  • the system for producing additional electrical energy according to the invention can be implemented so as to be able to provide the power demand required when starting the auxiliary motors 12, so that the thermal group of 14 (diesel group) is only dimensioned according to the permanent power of the auxiliary engines.
  • the electrical energy production system annexed according to the invention can thus be implemented so as to deliver a variable frequency alternating current for restarting the auxiliary motors 12 progressively, variable frequency, to reduce the current draw during a start on dead bus set, that is to say when no more voltage is present on the main auxiliary auxiliary network 4, 15.
  • This functionality can be achieved simply by means of interface signals between the system control system and the control system of said main auxiliary network, or if necessary by adding an auxiliary board dedicated to this auxiliary helper restart function on a busbar. death.
  • Figure 3 shows schematically the principle of implementation of a variant of the system according to the invention within the power distribution network of a power plant.
  • This embodiment variant differs from that of FIG. 2 in that the secondary power supply group 7 comprises one or more elementary units 8b each comprising one or more reversible converters 84 for continuous electrical energy in alternative electrical energy ( AC-DC conversion and DC-AC conversion).
  • the second converter 84 is connected to the means 81 for storing electrical energy on the one hand and the alternator of the main group 2 and / or an auxiliary motor 12 'on the other hand.
  • the secondary group 7 of the system according to the invention can be connected, depending on its power, either directly to the secondary of the transformer group 3, or to the secondary of the auxiliary transformer 4, which is still the primary of the transformer of group 3.
  • the secondary power supply group 7 is sized to perform the required network service or services and so that it replaces the DC backup network by filling the corresponding function.
  • the additional electrical energy production system according to the invention can also advantageously be implemented to perform functions normally supported by auxiliary equipment normally present in a power plant and to substitute totally or partially for these equipments.
  • auxiliary equipment normally present in a power plant
  • control system of this power generation system can be interfaced, if necessary, with the control system of the transport network 1, the control system of the main group 2 and the control system of the control system.
  • auxiliary distribution network 4.15 to control the operation of the various control devices (circuit breakers, etc.) and to perform the functions required of the secondary group 7.
  • the system according to the invention can be implemented, by using the static power converters 82 and 84 which equip each cell 8 of the secondary group 7, to ensure the static start of the shaft line when the central station is stationary and is not used for another function.
  • the static start of the shaft line is usually done using a static frequency converter used to power the alternator in motor mode so as to rotate the shaft line of the gas turbine during its startup phase.
  • the converter 82 is driven rectifier (that is to say in voltage source) to create, from the voltage present on the auxiliary network of the central 4 , a DC voltage on the internal DC bus of the secondary group 7.
  • the converter 84 is then driven by UPS in such a way that it converts the DC voltage supplied by the converter 82 into a variable frequency AC voltage.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to drastically simplify the architecture of the accessories of the central unit by eliminating the static power conversion system 19 (see FIG. 1) normally dedicated to the start of the shaft line.
  • the auxiliary electric power generation system according to the invention can advantageously be implemented, so as to ensure the turning function of the shaft line.
  • the converter 84 is driven in an inverter so as to provide the power necessary for the rotation at very low speed of the shaft line, when the control unit is at a standstill.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to perform the turning function by feeding the turning motor by means of the energy available on the auxiliary network and / or the energy stored in the storage means of the system, allowing and to advantageously simplify the architecture of the auxiliaries of the plant.
  • the electrical energy production system of the invention may also advantageously be implemented, so as to provide all or part of the power required to start the line.
  • shaft using electrochemical generators 81 the electrical energy stored in the DC voltage generators (ie the batteries) 81 is converted into alternating current by the converters 82 and 84 and transferred to the alternator in motor mode so as to drive the line of rotation in rotation. shaft of the gas turbine.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to advantageously simplify the architecture of the auxiliaries of the central unit by making it possible to eliminate the auxiliary thermal unit 1 1 necessary for the start-up of the central unit on a dead busbar (that is to say when the plant must restart without power from the distribution network), or at least reduce the power of this group and therefore its cost by providing a portion of the power required by the storage elements 81.
  • the system for producing additional electrical energy according to the invention may advantageously be implemented, so that the static power converter 84, (to the extent that it is not used as described previously in FIG. of the start-up phase of the plant), can be used to supply a variable frequency auxiliary motor.
  • This configuration of the system thus makes it possible to advantageously simplify the architecture of the accessories of the control unit by eliminating a static frequency converter dedicated to supplying one or more variable speed auxiliary motors 12, such as for example a food pump motor. the boiler in a combined cycle plant.
  • the additional electric power generation system according to the invention can also be advantageously implemented, so as to temporarily provide the power required to supply the static converter 84 by means of the electrochemical generators 81.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to provide a supply without disturbances (such as for example voltage dips) of the motor driven by means of the converter 84, even when the main auxiliary network of the plant is disturbed.
  • system according to the invention can also be advantageously implemented, so that it allows to draw electrical energy from the alternator to charge the storage means 81 and / or replenish the main auxiliary network 4 of the plant by means of the converters 82 and 84 of this system in the event of failure of the supply of said main auxiliary network 4.
  • the converter 84 rectifier that is to say, voltage source
  • the converter 82 is in turn controlled by the inverter, so that it converts the DC voltage supplied by the converter 84 into a fixed frequency AC voltage.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to drastically simplify the architecture of the auxiliaries of the plant by eliminating the backup auxiliary heat group 14, or to increase the reliability of the supply of the main auxiliary network of the plant by means of of this additional voltage source.
  • the plant in the event of incidents on the electric power transmission network 1, the plant is able to isolate itself from said network by means of the line circuit breaker 23, and to supply its auxiliaries while maintaining the main group 2 in operation.
  • the electrical energy production system annexed according to the invention can advantageously be implemented, in such a way that it makes it possible to extract electrical energy from the alternator of the generator.
  • main group 2 in order to replenish the main auxiliary network 4 of the plant by means of the converters 82 and 84 of this system in the event of failure of the energy storage elements 81.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to increase the reliability of the secondary power unit 7 in the event of failure of the energy storage elements 81, the power necessary to ensure the supply of the main auxiliary network 4 being in this case provided by the alternator.
  • the electrical energy production system annexed according to the invention can be advantageously dimensioned and designed, so that it can supply the excitation system of the alternator of the main group 2 by means of an additional DC / DC converter connected in parallel with the converter 84.
  • This configuration of the system according to the invention thus makes it possible to supply the stator as well as the rotor of the alternator so that it is possible to start the shaft line by means of the single production system, starting from the energy available in the storage elements 81 and / or on the main auxiliary network 4.
  • the installation of the system according to the invention advantageously makes it possible to ensure the operation of critical auxiliaries operating in direct current that may need to be maintained, in particular in the case where the system according to the invention invention is implemented in the context of a discount operation to an existing plant.
  • These DC equipment according to their quantity, can be connected directly by means of their control / protection equipment to the secondary group 7 of the system at the output of the energy storage elements 81, or at the output of the secondary group 7 by means of an additional DC converter.

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Abstract

L'invention consiste en un système annexe de fourniture d'énergie électrique pour une centrale de production d'électricité comportant au moins une turbine couplée à un alternateur formant un groupe principal (2) de production d'énergie électrique alimentan tun réseau d'évacuation d'énergie (10) alimentant lui-même un réseau auxiliaire principal (4, 15) destiné à alimenter les auxiliaires (6,16) de la centrale. Le système comporte un groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) comportant lui-même au moins une unité élémentaire (8) de stockage et de restitution d'énergie électrique sous forme continue. Ladite unité élémentaire comporte des éléments (81) de stockage d'énergie électrique couplés à des moyens de conversion (82) réversibles continu-alternatif,assurant, sur commande, la charge des éléments de stockage (81) par le réseau auxiliaire principal (4) ou la décharge de l'énergie électrique stockée dans les éléments de stockage (81) sur ledit réseau auxiliaire principal (4).

Description

SYSTÈME AUXILIAIRE DE STOCKAGE ET DE FOURNITURE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE À USAGES MULTIPLES INTÉGRÉ À UNE CENTRALE DE PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention se rapporte au domaine général des systèmes de production d'énergie électrique. Elle se rapporte plus particulièrement aux
5 installations du type des centrales de production d'énergie électrique
alimentant un réseau de transport d'électricité.
CONTEXTE DE L'INVENTION - ART ANTERIEUR
10 Actuellement, les équipements auxiliaires d'une centrale électrique
sont alimentés à partir d'un réseau alternatif auxiliaire dérivé du réseau d'évacuation d'énergie de la centrale lui-même relié au réseau de transport d'électricité alimenté par la centrale et au groupe de production d'énergie.
Généralement ces installations comprennent également un réseau de
15 secours en courant continu qui est utilisé en cas de perte des sources
principales d'énergie alimentant le réseau auxiliaire.
Ces installations comprennent en outre divers dispositifs permettant d'assurer divers services réseau au moyen de la centrale. Par service réseau on entend les fonctionnalités techniques réalisées au moyen des centrales
20 de production d'électricité dans le but d'assurer le bon fonctionnement du
réseau de transport d'électricité auxquelles elles sont raccordées, comme par exemple la fourniture rapide d'énergie électrique supplémentaire permettant de répondre à la demande de réponse primaire que la centrale doit être en mesure de fournir en cas de sollicitation du réseau.
25 La demande de brevet européen publiée sous la référence
EP 2595266 (A1 ) décrit à ce propos une installation de production d'énergie électrique comprenant des moyens de génération d'énergie électrique destinés à être raccordés à un réseau de distribution et des moyens de stockage d'une partie de l'énergie électrique produite sous forme d'énergie
30 mécanique, au moyen de volants d'inertie, l'énergie stockée étant restituée
sur commande à l'installation sous forme électrique de façon à assurer des fonctions de support telles que : - La régulation de fréquence et de tension (en régime permanent et transitoire) ;
- le support des microcoupures de réseaux ;
- la garantie d'un état de charge optimale du moyen de stockage en cas de coupure ;
- l'utilisation de l'énergie stockée sous forme mécanique pour supporter l'arrêt du groupe principal de production d'énergie et notamment la limitation du phénomène de survitesse de l'arbre de l'alternateur;
- le support au redémarrage de la centrale en cas de coupure prolongée du réseau.
La centrale de production d'énergie électrique ainsi décrite comporte un système de production d'énergie électrique, générée à partir d'énergie cinétique stockée dans des volants d'inertie. Ce système est associé au groupe principal de production d'énergie électrique qui fournit de la puissance électrique au réseau de distribution électrique afin, d'une part de compenser l'inertie de la turbine à vapeur qui entraine l'alternateur du groupe de production principal en cas de nécessité pour la centrale d'assurer la réponse primaire demandée par le réseau et, d'autre part, de fournir de l'électricité au réseau auxiliaire de cette centrale.
Ce système de production d'énergie électrique est géré par un contrôleur pilotant le fonctionnement des moyens de stockage d'énergie et le raccordement de ceux-ci aux moyens de génération et au réseau de transport d'électricité.
Le document cité plus haut met en avant les avantages que procure la mise en œuvre d'un système de stockage d'énergie dans une centrale afin d'en améliorer notamment les capacités à fournir de la réponse primaire, alors que celle-ci est en fonctionnement. Cependant, il est possible d'envisager de tirer également parti des fonctionnalités procurées par un tel système lorsque la centrale est arrêtée et que l'énergie électrique cesse d'être fournie par le groupe principal. En effet, de nombreuses centrales électriques sont aujourd'hui amenées à être opérées de manière cyclique, c'est-à-dire qu'au cours d'une période donnée (saison, journée, semaine,...) elles alternent des périodes de fonctionnement et des périodes d'arrêt. On entend généralement par arrêt les périodes pendant lesquelles le groupe de production de la centrale ne fournit pas de puissance au réseau de transport, la turbine étant arrêtée et l'alternateur étant ou non déconnecté du réseau. Par suite, l'utilisation pendant ces périodes d'arrêt du système de stockage d'énergie permettrait d'augmenter la rentabilité de ces centrales.
Le document cité décrit en outre un système de stockage d'énergie sous forme d'énergie cinétique. Il peut cependant être judicieux de considérer d'autres types de systèmes de stockage d'énergie. Le stockage et la production d'énergie électrique au moyen de générateurs électrochimiques peuvent ainsi s'avérer très compétitifs, en termes de coût, vis-à-vis du stockage sous forme d'énergie mécanique, notamment lorsqu'une grande autonomie est nécessaire. En effet, le stockage d'énergie sous forme cinétique est très approprié pour fournir de fortes puissances pendant des temps courts (de l'ordre de la minute), mais il l'est moins pour des temps plus longs (de l'ordre de plusieurs minutes à plusieurs heures).
Or certains auxiliaires, couramment appelés auxiliaires critiques, d'une centrale électrique nécessitent d'être alimentés pendant des durées pouvant atteindre plusieurs heures, en cas de défaillance de la source d'alimentation normale du réseau auxiliaire de la centrale. C'est par exemple le cas des systèmes de lubrification de la ligne d'arbre qui, en cas de défaillance de l'alimentation du réseau auxiliaire de la centrale, doivent être maintenus en fonctionnement afin d'assurer son arrêt et son redémarrage dans de bonnes conditions.
En effet, l'alimentation des auxiliaires d'une centrale électrique se fait généralement, comme illustré par la figure 1 , au moyen de deux types de réseaux de distribution:
- un réseau auxiliaire principal, moyenne tension 4 et basse tension 15, de type à courant alternatif, la fonction principale de ce réseau étant d'alimenter, à partir du réseau de transport d'énergie 1 ou du groupe principal de production d'énergie 2, l'ensemble des auxiliaires moyenne tension 6 et basse tension 16 de la centrale nécessaires à son bon fonctionnement. Parmi ces auxiliaires on trouve typiquement des groupes de motopompes, des actionneurs ainsi que des moteurs auxiliaires fonctionnant en moyenne ou en basse tension, soit à fréquence fixe, soit à fréquence variable, la variation de fréquence pouvant être réalisée par l'intermédiaire de convertisseurs statiques de fréquence.
- un réseau auxiliaire 17 dit « de secours », de type à courant continu, dont la fonction principale est de pallier une défaillance du réseau auxiliaire principal et de permettre un maintien en fonctionnement, au moins temporairement, des auxiliaires critiques de la centrale afin d'assurer l'arrêt de la centrale et son redémarrage dans de bonnes conditions.
Parmi ces auxiliaires critiques on peut notamment citer les systèmes de lubrification de la ligne d'arbre du groupe principal 2, dont les moteurs à courant alternatif sont redondés par des moteurs à courant continu, alimentés par des batteries, destinés à garantir la lubrification de la ligne d'arbre et son arrêt sans dommage en cas de perte d'alimentation du réseau auxiliaire principal à courant alternatif 4, 15. De manière classique, le réseau de secours d'une centrale de production d'électricité est donc notamment constitué par une ou plusieurs batteries et divers équipements fonctionnant en courant continu, tels que des tableaux de distribution, de l'appareillage de contrôle-commande et des moteurs et actionneurs. Ces équipements, alimentés en courant continu, sont couplés au réseau auxiliaire principal 4, 15, par l'intermédiaire de circuits électroniques de conversion du courant alternatif en courant continu. En fonctionnement normal de la centrale, les batteries sont rechargées à partir du réseau auxiliaire principal 15. En cas de disfonctionnement, les batteries restituent l'énergie électrique emmagasinée aux équipements fonctionnant en courant continu.
Cependant, la mise en œuvre au sein d'une même centrale de deux types de réseaux auxiliaires, un réseau auxiliaire principal 4, 15 en courant alternatif et un réseau en courant continu 17, induit une complexité de mise en œuvre des auxiliaires et engendre des coûts importants tout au long du cycle de vie de la centrale (par exemple lors des phases d'étude, de mise en service et d'exploitation de la centrale). En effet, ces deux réseaux sont partiellement redondants et le matériel fonctionnant en courant continu, qui constitue notamment les équipements de secours des auxiliaires critiques, est moins répandu que le matériel équivalent fonctionnant en courant alternatif et, donc, en général plus onéreux. De plus ces équipements de secours et les éléments qui les constituent, sont exclusivement dédiés à la fonction de secours en cas de défaillance.
Ainsi, considérant l'architecture réseau d'une centrale classique et les contraintes de fonctionnement liées au maintien de l'intégrité de la centrale en cas de défaillance de l'alimentation du réseau auxiliaire principal 4, 15, il existe un besoin réel de développer une architecture support des auxiliaires plus efficace, permettant notamment de simplifier la mise en œuvre de ces derniers et d'assurer leur maintien en fonctionnement même en cas de défaillance, sans avoir nécessairement recours à des moyens de secours destinés à être utilisés seulement dans ce cas.
Parallèlement, il existe un besoin de disposer d'une architecture permettant d'améliorer les services réseau qui peuvent être réalisés au moyen des centrales afin de les rendre plus compétitives, voire d'étendre la gamme des services réseau pouvant être assurés.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est d'améliorer les capacités d'une centrale électrique en termes de services réseau et de fonctionnement tout en simplifiant drastiquement l'architecture de sa distribution électrique auxiliaire.
A cet effet l'invention a pour objet un système annexe de fourniture d'énergie électrique Système annexe de fourniture d'énergie électrique pour une centrale de production d'électricité alimentant un réseau électrique de transport d'électricité, ladite centrale de production d'électricité comportant au moins une turbine couplée à un alternateur formant un groupe principal de production d'énergie électrique qui fournit un courant alternatif à un réseau d'évacuation d'énergie relié au réseau de transport, le réseau d'évacuation d'énergie alimentant également un réseau auxiliaire principal, ledit réseau auxiliaire principal permettant d'alimenter les équipements auxiliaires nécessaires au fonctionnement de la centrale. Le système selon l'invention comporte un groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique comportant lui-même au moins une unité élémentaire de stockage et de restitution d'énergie électrique sous forme continue. Ladite unité élémentaire comporte des éléments de stockage d'énergie électrique couplés à des moyens de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif assurant, sur commande, la charge des éléments de stockage à partir de l'énergie électrique délivrée par le réseau auxiliaire principal ou la décharge de l'énergie électrique stockée dans les éléments de stockage sur ledit réseau auxiliaire principal.
Selon l'invention, le groupe secondaire de production d'énergie électrique est dimensionné et conçu de façon à pouvoir :
- soit fournir au réseau de transport d'électricité le profil temporel de puissance électrique au moins suffisant pour assurer le ou les services réseau demandés, et cela même pour des services réseau devant être assurés lorsque le groupe principal est à l'arrêt ;
- soit fournir au réseau auxiliaire principal de la centrale le profil temporel de puissance requis pour alimenter les auxiliaires critiques de la centrale en cas de défaillance de l'alimentation dudit réseau auxiliaire principal.
-soit assurer les deux fonctions précédentes.
Selon diverses dispositions pouvant être considérées seul ou en combinaison les unes avec les autres, le système selon l'invention peut présenter des caractéristiques additionnelles.
Ainsi, selon une disposition particulière, le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique est dimensionné de façon à pouvoir fournir au réseau de transport d'électricité le profil temporel de puissance électrique permettant de compenser l'inertie de la turbine à gaz et/ou de la turbine à vapeur lors des demandes de fourniture de réponse primaire.
Selon une autre disposition particulière, le groupe secondaire de production d'énergie électrique comporte une pluralité d'unités élémentaires comportant chacune au moins un élément de stockage d'énergie électrique et un convertisseur AC-DC réversible connecté aux entrées de l'élément de stockage. L'ensemble est couplé au réseau de transport d'électricité ou au réseau d'évacuation d'énergie ou au réseau auxiliaire principal de la centrale. Les unités élémentaires sont dimensionnées pour pouvoir produire lorsqu'elles sont mises en service simultanément au moins la puissance demandée. Selon une autre disposition particulière, la centrale étant équipée d'un premier groupe électrogène thermique auxiliaire et/ou d'un second groupe thermique électrogène de secours, le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique est dimensionné de façon à pouvoir délivrer une puissance au moins équivalente à celle du premier groupe thermique auxiliaire ou à celle du second groupe thermique auxiliaire ou à la somme des puissances de ces deux groupes.
Selon une autre disposition particulière, le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique est dimensionné de telle façon qu'il fournisse une puissance suffisante pour permettre à lui seul le démarrage de l'alternateur du groupe principal, ou que, la centrale étant équipée d'un groupe électrogène thermique auxiliaire raccordé, sur commande, au réseau auxiliaire principal, il fournisse une puissance suffisante pour que l'addition de la puissance fournie par les moyens de stockage et la puissance fournie par le groupe électrogène thermique auxiliaire soit suffisante pour permettre le démarrage de l'alternateur du groupe principal.
Selon une autre disposition particulière, la cellule élémentaire du groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique comporte en outre des moyens complémentaires de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif, couplés aux éléments de stockage d'énergie électrique. Ces moyens sont configurés et agencés de façon à permettre au groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique d'assurer, sur commande, l'alimentation de l'alternateur du groupe principal en phase de démarrage de ce dernier à partir de la tension disponible sur le réseau auxiliaire principal et/ou de l'énergie disponible dans les éléments de stockage d'énergie, ou la charge des éléments de stockage d'énergie électrique et/ou l'alimentation du réseau électrique auxiliaire principal en soutirant de l'énergie électrique au moyen des moyens de conversion complémentaire directement aux bornes de l'alternateur lorsque celui-ci est en marche.
Selon une autre disposition particulière, les moyens complémentaires de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif sont configurés de façon à fournir, sur commande, une tension d'alimentation de fréquence variable destinée à alimenter les moteurs des équipements auxiliaires susceptibles de fonctionner à régime variable.
Selon une autre disposition particulière, la cellule élémentaire du groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique comporte en outre un convertisseur supplémentaire DC-DC supplémentaire, raccordé en parallèle sur les moyens complémentaires de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif, et permettant d'alimenter le rotor de l'alternateur du groupe de production.
Selon une autre disposition particulière, les moyens complémentaires les moyens de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif, sont réalisés à partir de commutateurs IGBT (transistors bipolaires à grilles isolées) commandés par des moyens appropriés.
Selon une autre disposition particulière, le système selon l'invention comporte en outre des moyens de commande permettant de faire fonctionner chacun des moyens de conversion réversibles soit en convertisseur AC-DC soit en convertisseur DC-AC délivrant un courant alternatif de fréquence fixe donnée ou de fréquence variable.
Par ailleurs, l'invention a également pour objet une centrale de production d'électricité qui comporte un système annexe de production d'énergie électrique selon l'invention.
Le système annexe de stockage et de restitution d'énergie électrique proposé permet avantageusement de concevoir une centrale de production d'électricité comportant des moyens permettant à la fois :
- de fournir les services réseau demandés lorsque la centrale est en fonctionnement ;
- de fournir également certains services réseau lorsque la centrale est à l'arrêt ;
- de fournir la puissance nécessaire à l'alimentation des auxiliaires critiques alternatifs de la centrale en cas de perte de l'alimentation normale de son réseau auxiliaire principal alternatif. Plus particulièrement, en utilisant certains types de générateurs électrochimiques avec des caractéristiques judicieusement spécifiées, le système annexe de stockage et de restitution d'énergie électrique proposé peut être avantageusement configuré pour fournir un certain profil temporel de puissance de réserve primaire et, une fois cette réserve primaire délivrée, être toujours en mesure de fournir, à la suite, le profil temporel de puissance requis pour alimenter les auxiliaires critiques de la centrale pendant la durée souhaitée. En effet, le profil de puissance de la réponse primaire requiert la fourniture d'une forte puissance seulement pendant quelques minutes, ce qui ne provoque pas une décharge complète des générateurs électrochimiques pour autant que ceux-ci soit dimensionnés à cet effet.
DESCRIPTION DES FIGURES Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent:
- La figure 1 , un schéma synoptique présentant la structure d'un réseau auxiliaire d'une centrale selon l'état de la technique avec des équipements de secours auxiliaires à courant continu, ainsi que le principe de raccordement des sources d'alimentation continues et alternatives aux divers équipements de la centrale ;
- la figure 2, un schéma synoptique présentant la structure de base d'un système selon l'invention et son interconnexion au circuit auxiliaire d'une centrale de production d'électricité;
- la figure 3, un schéma synoptique présentant le dispositif selon l'invention dans une variante de réalisation et d'interconnexion lui permettant d'assurer des fonctionnalités complémentaires. II est à noter que sur les différentes figures, un même élément structurel ou fonctionnel est identifié par un même repère numérique ou alphanumérique.
DESCRIPTION DETAILLEE La figure 2 présente de manière schématique le principe d'implantation du système selon l'invention, dans une première forme de réalisation, au sein du réseau de distribution électrique d'une centrale de production d'électricité.
Ce réseau comprend typiquement un réseau d'évacuation d'énergie
10 reliant le groupe principal 2 de production d'électricité de la centrale, comportant notamment une turbine et un alternateur entraîné par ladite turbine, à un réseau de transport d'électricité 1 , via un transformateur de groupe 3, ainsi qu'un réseau auxiliaire principal moyenne tension 4, et basse tension 15, relié au réseau d'évacuation d'énergie 10 via un transformateur auxiliaire 5, sur lequel sont raccordés les auxiliaires moyenne tension 6 et basse tension 16 de la centrale, ainsi qu'un ou plusieurs groupes de production d'électricité annexes.
Les auxiliaires 6, 16 sont constitués par les équipements nécessaires au bon fonctionnement de la centrale, aussi bien les organes électriques et électroniques de gestion et de contrôle, que les équipements remplissant des tâches indispensables au bon fonctionnement du groupe principal de production d'électricité comme par exemple les pompes de lubrification de la ligne d'arbres du groupe principal 2.
Parmi les groupes de production d'électricité annexes dont peut disposer une centrale on trouve notamment des groupes électrogènes thermiques auxiliaires 14 et 1 1 , dont les fonctions consistent respectivement :
- pour le groupe thermique auxiliaire 14, à alimenter certains auxiliaires critiques de la centrale en cas de défaillance de l'alimentation du réseau auxiliaire principal 4,15,
- pour le groupe thermique auxiliaire 1 1 , à fournir un appoint d'énergie permettant de démarrer la centrale sans alimentation depuis le réseau de transport 1 .
Comme l'illustre la figure 2, le système annexe de fourniture d'énergie électrique selon l'invention comporte principalement un groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie électrique, capable de stocker de l'énergie électrique prélevée sur le réseau de la centrale à laquelle il est intégré et de restituer cette énergie à ce même réseau. A cet effet le groupe secondaire 7 comporte principalement une ou plusieurs unités élémentaires 8 de fourniture d'énergie électrique configurées et agencées de façon à pouvoir fonctionner en parallèle. Pour des raisons de simplicité et de clarté du schéma, la figure 2 présente un groupe secondaire 7 comportant une seule cellule 8.
Comme illustré par la figure 2, chaque unité élémentaire 8 comporte des moyens 81 de stockage d'énergie électrique constitués par exemple de générateurs électrochimiques, autrement dit de batteries d'accumulateurs. Plusieurs unités élémentaires pouvant être utilisées en parallèle, il est possible d'associer plusieurs moyens de stockage de technologies différentes afin d'optimiser le dimensionnement et donc le cout du groupe secondaire.
Chaque unité 8 comporte également un ou plusieurs convertisseurs réversibles alternatif-continu 82, chaque convertisseur étant constitué préférentiellement par des commutateurs électroniques de puissance, de type transistor bipolaire à grille isolée, ou IGBT selon la terminologie anglo- saxonne, dont le fonctionnement est géré par les moyens de commande du système.
Le dimensionnement du groupe secondaire 7 peut être réalisé soit en dimensionnant les différents éléments 81 et 82 d'une unité élémentaire 8, soit en jouant sur le nombre d'unités élémentaires 8 constituant le groupe secondaire 7 considéré.
Dans un mode de mise en œuvre préféré du système selon l'invention, des moyens de commande, non représentés sur la figure 2, permettent de faire fonctionner les convertisseurs 82 des différentes unités élémentaires 8 soit en convertisseur AC-DC, soit en convertisseur DC-AC délivrant un courant alternatif de fréquence fixe donnée ou de fréquence variable.
Chaque unité élémentaire 8 est par ailleurs reliée de façon permanente, selon la puissance qu'elle doit développer, au réseau de transport d'énergie 1 ou au réseau d'évacuation d'énergie 10 ou au réseau auxiliaire principal 4, par l'intermédiaire d'un convertisseur réversible 82 d'énergie électrique continue en énergie électrique alternative (conversion AC-DC et conversion DC-AC) et, si nécessaire, via un transformateur d'adaptation de la tension 83.
Chaque unité élémentaire 8 peut en outre être raccordée à l'un ou l'autre de ces réseaux soit directement au niveau du convertisseur (ou d'un des convertisseurs) 82, soit par l'intermédiaire d'un transformateur d'adaptation 83.
Selon l'invention chaque unité élémentaire 8 peut être mise en service séparément via les moyens de commande du système. La découpe en unités élémentaires du groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie permet ainsi avantageusement, dans le cas où le groupe secondaire 7 comporte plusieurs unités élémentaires 8, de mettre en service seulement le nombre d'unités élémentaires correspondant au besoin en apport d'énergie attendu.
Le dimensionnement en puissance du groupe secondaire 7 peut ainsi être réalisé soit en dimensionnant les différents éléments 81 et 82 d'une unité élémentaire 8, soit en jouant sur le nombre d'unités élémentaires 8 constituant le groupe secondaire 7 considéré.
L'intégration aux équipements d'une centrale de production d'électricité d'un système de stockage et de restitution d'énergie sous forme électrique tel que le système selon l'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels on peut citer:
a) La possibilité de concevoir des centrales de production d'énergie ne comportant pas de réseaux de secours en courant continu ni d'équipements auxiliaires de secours redondants, fonctionnant en courant continu, tels que ceux évoqués précédemment, équipements qui équipent les centrales actuelles.
L'intégration à une centrale du système selon l'invention permet, en configurant le groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie électrique de façon appropriée, à l'aide des moyens de commande du système, de disposer d'une alimentation auxiliaire en courant alternatif permettant, en cas de défaillance du réseau d'évacuation d'énergie 10, d'alimenter, via le réseau auxiliaire principal 4, 15 et pour une durée déterminée, des auxiliaires 6 et 16 fonctionnant en courant alternatif. b) La possibilité de faire évoluer les centrales existantes de façon à pouvoir améliorer les services réseau remplis par celles-ci et ainsi augmenter leur rentabilité, en intégrant le système selon l'invention à la centrale.
c) La possibilité d'améliorer et d'accroître les services réseau rendus par la centrale, en assurant notamment:
- une meilleure régulation de fréquence et de tension (en régime permanent et transitoire), cette régulation passant par :
- le support au réseau pour le maintien de la fréquence du réseau de transport par fourniture de puissance active (réponse primaire, réponse secondaire, et amélioration de la stabilité de l'alternateur en cas de creux de tension sur le réseau ou « FRT recovery » selon la dénomination anglo-saxonne,...),
- le support au réseau pour le maintien de la tension du réseau de transport par fourniture de puissance réactive,
- une contribution, dans le cadre d'une procédure de redémarrage de la centrale sur « jeu de barres mort », c'est-à-dire sans fourniture d'alimentation auxiliaire depuis le réseau de transport, procédure dite de « black-start » selon la dénomination anglo-saxonne,
d) Le renforcement de la fiabilité et de la robustesse de la centrale en réponse aux creux de tension.
e) La possibilité de diminuer les coûts de maintenance de la centrale par suppression des équipements continus (tableaux et équipements électriques, moteurs,...).
f) La possibilité de disposer d'une alimentation auxiliaire modulable et configurable grâce à la structure modulaire du système selon l'invention, modularité qui confère en outre au système une meilleure fiabilité et une plus grande robustesse.
A ce titre le groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie peut être dimensionné pour fournir le profil temporel de puissance correspondant au service réseau requis et le profil temporel de puissance requis pour assurer l'alimentation des auxiliaires critiques et permettre, au moins temporairement, leur maintien en fonctionnement, de façon à assurer l'arrêt de la centrale et son redémarrage dans de bonnes conditions. Ainsi, en cas de perte de l'alimentation du réseau auxiliaire principal, le système de contrôle du système de stockage peut piloter, au moyen d'interfaces appropriées avec le système de contrôle dudit réseau, l'alimentation des auxiliaires critiques de la centrale depuis les éléments de stockage d'énergie. Cette caractéristique du système permet donc de simplifier drastiquement l'architecture de la distribution électrique auxiliaire de la centrale en supprimant le réseau auxiliaire de secours à courant continu 17, puisqu'il assure les mêmes fonctionnalités.
Ainsi le groupe secondaire 7 peut, par exemple, être dimensionné pour pouvoir délivrer instantanément au réseau de transport d'électricité 1 une puissance électrique au moins égale à la puissance supplémentaire qui doit être fournie par la turbine à vapeur du groupe principal 2 en cas de demande de réponse primaire. De la sorte, l'inertie de la turbine à vapeur est compensée par la rapidité de la réponse du groupe secondaire 7 et le groupe principal 2 peut ainsi fonctionner en permanence à une puissance supérieure.
On notera que la réponse primaire correspond à la fraction de la puissance nominale du groupe principal 2 que celui-ci doit être capable de délivrer au réseau dans un temps très court. Il n'existe pas de requis technique commun à tous les réseaux car chaque opérateur réseau est libre de définir ses propres requis, à titre d'exemple on peut considérer une puissance de l'ordre de 2,5% de la puissance nominale du groupe à délivrer dans un temps de l'ordre de 30 secondes.
Par ailleurs, dans la mesure où la centrale considérée est équipée d'un groupe électrogène thermique auxiliaire 1 1 assurant une fonction de « black-start », le groupe secondaire 7 peut être dimensionné pour pouvoir délivrer, en plus du profil temporel de puissance requis pour assurer l'alimentation des auxiliaires critiques, une puissance au moins équivalente à celle du groupe thermique auxiliaire 1 1 .
Un tel dimensionnement permet alors d'utiliser avantageusement ce groupe thermique afin de fournir des services réseau, comme par exemple la réponse primaire. En effet il est possible, au moyen du système de contrôle du système de stockage, de piloter rapidement la décharge des éléments de stockage afin de fournir rapidement sur le réseau auxiliaire de la centrale une puissance équivalente à celle du groupe de black-start 1 1 , et de commander le démarrage de celui-ci afin qu'il se substitue au système de stockage une fois sa séquence de démarrage terminée.
Un tel principe peut également être mis en œuvre pour effectuer des services réseaux au moyen du groupe électrogène thermique de secours 14, et/ou pour assurer une alimentation ininterrompue des charges alimentées par ce groupe de secours en cas de défaillance de l'alimentation du réseau auxiliaire principal. La structure modulaire du groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie, associée à l'utilisation de moyens 82 de conversion réversibles du courant continu en courant alternatif, configurable à l'aide des moyens de commande dont est pourvu le système selon l'invention permet avantageusement de simplifier la composition et l'organisation des moyens annexes dont une centrale de production d'électricité peut avoir besoin dans différentes circonstances. Cela permet également de disposer d'une architecture reconfigurable permettant d'utiliser le groupe secondaire 7 du système selon l'invention, pour exécuter différentes tâches ordinairement exécutées par d'autres équipements annexes qui, de ce fait, peuvent être supprimés, ou contribuer à l'exécution de ces mêmes tâches en association avec les autres moyens annexes disponibles.
Ainsi, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut être mis en œuvre pour fournir certains services réseau lorsque la centrale est à l'arrêt. En effet, le schéma de principe décrit dans la figure 2 montre qu'il est possible de raccorder le système au réseau de transport d'électricité 1 , au travers du transformateur de groupe 3 et du transformateur auxiliaire 5, de façon à ce qu'il délivre au réseau de transport l'énergie électrique emmagasinée dans les batteries 81 des cellules 8 constituant le groupe secondaire 7. Au besoin, le système de contrôle de ce système peut être interfacé directement avec le système de contrôle du réseau de transport 1 , et/ou avec le système de contrôle du groupe principal 2 afin de piloter les organes de commande et de protection tels que le disjoncteur de groupe 22 ou le disjoncteur de ligne 23. Ainsi également, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut être mis en œuvre de façon à être capable de fournir l'appel de puissance requis lors du démarrage des moteurs auxiliaires 12, de telle sorte que le groupe thermique de secours 14 (groupe diesel) ne soit dimensionné qu'en fonction des puissances permanentes des moteurs auxiliaires.
Par ailleurs, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut ainsi être mis en œuvre de façon à délivrer un courant alternatif à fréquence variable permettant de redémarrer les moteurs auxiliaires 12 progressivement, à fréquence variable, afin d'en réduire l'appel de courant lors d'un démarrage sur jeu de barre mort, c'est-à-dire lorsque plus aucune tension n'est présente sur le réseau auxiliaire principal alternatif 4, 15.
Cette fonctionnalité peut être réalisée simplement au moyen de signaux d'interface entre le système de contrôle du système et le système de contrôle dudit réseau auxiliaire principal, ou au besoin en ajoutant un tableau auxiliaire dédié à cette fonction de redémarrage des auxiliaires sur jeu de barre mort.
La figure 3 présente de manière schématique le principe d'implantation d'une variante du système selon l'invention au sein du réseau de distribution électrique d'une centrale de production d'électricité.
Cette variante de réalisation se différentie de celle de la figure 2 en ce que le groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie électrique comporte une ou plusieurs unités élémentaires 8b comportant chacune un ou plusieurs convertisseurs réversibles 84 d'énergie électrique continue en énergie électrique alternative (conversion AC-DC et conversion DC-AC).
Le second convertisseur 84 est relié aux moyens 81 de stockage d'énergie électrique d'une part et à l'alternateur du groupe principal 2 et/ou à un moteur auxiliaire 12 'autre part.
Comme dans le mode de réalisation précédent, le groupe secondaire 7 du système selon l'invention peut être raccordé, suivant sa puissance, soit directement au secondaire du transformateur de groupe 3, soit au secondaire du transformateur auxiliaire 4, soit encore au primaire du transformateur de groupe 3.
De même, comme dans le mode de réalisation précédent, le groupe secondaire 7 de fourniture d'énergie est dimensionné pour réaliser le ou les services réseau requis et de telle sorte qu'il se substitue au réseau de secours en courant continu en en remplissant la fonction correspondante.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention, peut en outre avantageusement être mis en œuvre pour réaliser des fonctions normalement prises en charge par des équipements auxiliaires normalement présents dans une centrale et se substituer totalement ou partiellement à ces équipements. Pour ce faire il convient de dimensionner les équipements de puissance constituant le système (transformateur 83, convertisseurs 82 et 84 et moyens de stockage 81 ) de telle sorte qu'ils puissent fournir au minimum la puissance correspondant au service réseau requis et à la nouvelle fonction pendant la durée nécessaire, et de configurer les éléments constituant le groupe secondaire 7 du système selon l'invention à l'aide des moyens de commande qui pilotent en particulier le mode de fonctionnement des convertisseurs statiques de puissance 82 et 84.
Comme dans le mode de réalisation précédent, le système de contrôle de ce système de production d'énergie peut être interfacé au besoin avec le système de contrôle du réseau de transport 1 , le système de contrôle du groupe principal 2 et le système de contrôle du réseau de distribution auxiliaire 4,15 afin de piloter le fonctionnement des différents organes de contrôle (disjoncteurs,...) et d'assurer les fonctions demandées au groupe secondaire 7.
Ainsi, par exemple, le système selon l'invention peut être mis en œuvre, en utilisant les convertisseurs statiques de puissance 82 et 84 qui équipent chaque cellule 8 du groupe secondaire 7, pour assurer le démarrage statique de la ligne d'arbre lorsque la centrale est à l'arrêt et qu'il n'est pas utilisé pour une autre fonction.
Le démarrage statique de la ligne d'arbre est habituellement réalisé à l'aide d'un convertisseur statique de fréquence utilisé pour alimenter l'alternateur en mode moteur de façon à entraîner en rotation la ligne d'arbre de la turbine à gaz lors de sa phase de démarrage.
Pour réaliser ce démarrage au moyen du système selon l'invention le convertisseur 82 est piloté en redresseur (c'est-à-dire en source de tension) afin de créer, à partir de la tension présente sur le réseau auxiliaire de la centrale 4, une tension continue sur le bus continu interne du groupe secondaire 7. Le convertisseur 84 est alors quant à lui piloté en onduleur de telle sorte qu'il convertisse la tension continue fournie par le convertisseur 82 en une tension alternative à fréquence variable.
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi de simplifier drastiquement l'architecture des accessoires de la centrale en supprimant le système de conversion de puissance statique 19 (cf. figure 1 ) normalement dédié au démarrage de la ligne d'arbre. De même, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut avantageusement être mis en œuvre, de façon à assurer la fonction de virage de la ligne d'arbre. Pour ce faire le convertisseur 84 est piloté en onduleur de façon à fournir la puissance nécessaire à la rotation à très basse vitesse de la ligne d'arbre, lorsque la centrale est à l'arrêt.
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi de réaliser la fonction de virage en alimentant le moteur de virage au moyen de l'énergie disponible sur le réseau auxiliaire et/ou de l'énergie stockée dans les moyens de stockage du système, permettant ainsi de simplifier avantageusement l'architecture des auxiliaires de la centrale.
De même encore, dans ce même mode de réalisation, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut également être avantageusement mis en œuvre, de façon à fournir tout ou partie de la puissance nécessaire au démarrage de la ligne d'arbre au moyen des générateurs électrochimiques 81 . Pour ce faire l'énergie électrique stockée dans les générateurs de tension continue (i.e. les batteries) 81 est convertie en courant alternatif par les convertisseurs 82 et 84 et transférée à l'alternateur en mode moteur de façon à entraîner en rotation la ligne d'arbre de la turbine à gaz. Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi de simplifier avantageusement l'architecture des auxiliaires de la centrale en permettant de supprimer le groupe thermique auxiliaire 1 1 nécessaire au démarrage de la centrale sur jeu de barres mort (c'est-à-dire lorsque la centrale doit redémarrer sans alimentation depuis le réseau de distribution), ou tout au moins de réduire la puissance de ce groupe et donc son coût en fournissant une partie de la puissance nécessaire au moyen des éléments de stockage 81 . De même également, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut être avantageusement mis en œuvre, de telle façon que le convertisseur statique de puissance 84, (dans la mesure où il n'est pas utilisé comme décrit précédemment lors de la phase de démarrage de la centrale), puisse être utilisé pour alimenter un moteur auxiliaire à fréquence variable.
Cette configuration du système permet ainsi de simplifier avantageusement l'architecture des accessoires de la centrale en supprimant un convertisseur statique de fréquence dédié à l'alimentation d'un ou plusieurs moteurs auxiliaires à vitesse variable 12, comme par exemple un moteur de pompe alimentaire de la chaudière dans une centrale en cycle combiné.
Par ailleurs, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut également être avantageusement mis en œuvre, de façon à permettre de fournir temporairement la puissance nécessaire à l'alimentation du convertisseur statique 84 au moyen des générateurs électrochimiques 81 .
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi d'assurer une alimentation sans perturbations (telles que par exemple des creux de tension) du moteur entraîné au moyen du convertisseur 84, même lorsque le réseau auxiliaire principal de la centrale est perturbé.
Par ailleurs encore, le système selon l'invention peut également être avantageusement mis en œuvre, de telle façon qu'il permette de soutirer de l'énergie électrique à l'alternateur afin de charger les moyens de stockage 81 et/ou de réalimenter le réseau auxiliaire principal 4 de la centrale au moyen des convertisseurs 82 et 84 de ce système en cas de défaillance de l'alimentation dudit réseau auxiliaire principal 4 .
Pour ce faire, il convient de piloter le convertisseur 84 en redresseur (c'est-à-dire en source de tension) afin de créer et réguler, à partir de la tension alternative générée par l'alternateur, une tension continue sur le bus continu interne du groupe secondaire 7 du système de stockage. Le convertisseur 82 est quant à lui piloté en onduleur, de telle sorte qu'il convertisse la tension continue fournie par le convertisseur 84 en une tension alternative à fréquence fixe.
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi de simplifier drastiquement l'architecture des auxiliaires de la centrale en supprimant le groupe thermique auxiliaire de secours 14, ou d'augmenter la fiabilité de l'alimentation du réseau auxiliaire principal de la centrale au moyen de cette source de tension supplémentaire. En effet, en cas d'incidents sur le réseau de transport d'énergie électrique 1 , la centrale est capable de s'isoler dudit réseau au moyen du disjoncteur de ligne 23, et d'assurer l'alimentation de ses auxiliaires en maintenant le groupe principal 2 en fonctionnement.
Par ailleurs encore, dans ce même mode de réalisation, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut être avantageusement mis en œuvre, de telle façon qu'il permette de soutirer de l'énergie électrique à l'alternateur du groupe principal 2, afin de réalimenter le réseau auxiliaire principal 4 de la centrale au moyen des convertisseurs 82 et 84 de ce système en cas de défaillance des éléments de stockage d'énergie 81 .
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi d'augmenter la fiabilité du groupe secondaire de puissance 7 en cas de défaillance des éléments 81 de stockage d'énergie, la puissance nécessaire afin d'assurer l'alimentation du réseau auxiliaire principal 4 étant dans ce cas fournie par l'alternateur.
Par ailleurs finalement, dans ce même mode de réalisation, le système de production d'énergie électrique annexe selon l'invention peut être avantageusement dimensionné et conçu, de telle façon qu'il permette d'alimenter le système d'excitation de l'alternateur du groupe principal 2 au moyen d'un convertisseur DC/DC supplémentaire raccordé en parallèle du convertisseur 84.
Cette configuration du système selon l'invention permet ainsi d'alimenter le stator ainsi que le rotor de l'alternateur de sorte qu'il soit possible de démarrer la ligne d'arbre au moyen du seul système de production, à partir de l'énergie disponible dans les éléments de stockage 81 et/ou sur le réseau auxiliaire principal 4.
Il est à noter par ailleurs que la mise en place du système selon l'invention permet avantageusement d'assurer le fonctionnement d'auxiliaires critiques fonctionnant en courant continu qu'il peut être nécessaire de conserver, notamment dans le cas où le système selon l'invention est mis en place dans le cadre d'une opération de remise à hauteur d'une centrale existante. Ces équipements à courant continu, selon leur quantité, peuvent être raccordés directement au moyen de leurs équipements de contrôle/protection au groupe secondaire 7 du système en sortie des éléments 81 de stockage d'énergie, ou bien en sortie du groupe secondaire 7 au moyen d'un convertisseur alternatif continu supplémentaire.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système annexe de fourniture d'énergie électrique pour une centrale de production d'électricité alimentant un réseau électrique (1 ) de transport d'électricité, ladite centrale de production d'électricité comportant au moins une turbine couplée à un alternateur formant un groupe principal (2) de production d'énergie électrique qui fournit un courant alternatif à un réseau d'évacuation d'énergie (10) relié au réseau de transport (1 ), le réseau d'évacuation d'énergie (10) alimentant également un réseau auxiliaire principal (4, 15), ledit réseau auxiliaire principal permettant d'alimenter les équipements auxiliaires (6,16) nécessaires au fonctionnement de la centrale, caractérisé en ce que ledit système comporte un groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) comportant lui-même au moins une unité élémentaire (8) de stockage et de restitution d'énergie électrique sous forme continue, ladite unité élémentaire comportant des éléments (81 ) de stockage d'énergie électrique couplés à des moyens de conversion (82) réversibles de courant continu en courant alternatif assurant, sur commande, la charge des éléments de stockage (81 ) à partir de l'énergie électrique délivrée par le réseau auxiliaire principal (4) ou la décharge de l'énergie électrique stockée dans les éléments de stockage (81 ) sur ledit réseau auxiliaire principal (4), le groupe secondaire de production d'énergie électrique (7) étant dimensionné et conçu de façon à pouvoir fournir au réseau de transport d'électricité (1 ) le profil temporel de puissance électrique au moins suffisant pour assurer le ou les services réseau demandés, et cela même pour des services réseau devant être assurés lorsque le groupe principal est à l'arrêt et/ou de façon à pouvoir fournir au réseau auxiliaire principal de la centrale (4,15) le profil temporel de puissance requis pour alimenter les auxiliaires critiques de la centrale en cas de défaillance de l'alimentation dudit réseau auxiliaire principal.
2. Système annexe de fourniture d'énergie électrique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) est dimensionné de façon à pouvoir fournir au réseau de transport d'électricité (1 ) le profil temporel de puissance électrique permettant de compenser l'inertie de la turbine à gaz et/ou de la turbine à vapeur lors des demandes de fourniture de réponse primaire.
3. Système annexe de fourniture d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le groupe secondaire de production d'énergie électrique (7) comporte une pluralité d'unités élémentaires (8) comportant chacune au moins un élément de stockage d'énergie électrique (81 ) et un convertisseur AC-DC réversible (82) connecté aux entrées de l'élément de stockage (81 ), l'ensemble étant couplé au réseau de transport d'électricité (1 ) ou au réseau d'évacuation d'énergie (10) ou au réseau auxiliaire principal (4) de la centrale, les unités élémentaires (8) étant dimensionnées pour pouvoir produire lorsqu'elles sont mises en service simultanément au moins la puissance demandée.
4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, la centrale étant équipée d'un premier groupe électrogène thermique auxiliaire (1 1 ) et/ou d'un second groupe thermique électrogène auxiliaire (14), le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) est en outre dimensionné de façon à pouvoir délivrer une puissance au moins équivalente à celle du premier groupe thermique auxiliaire (1 1 ) ou à celle du second groupe thermique auxiliaire (14) ou à la somme des puissances de ces deux groupes.
5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) est dimensionné de telle façon qu'il fournisse une puissance suffisante pour permettre à lui seul le démarrage de l'alternateur du groupe principal (2), ou que, la centrale étant équipée d'un groupe électrogène thermique auxiliaire (1 1 ) raccordé, sur commande, au réseau auxiliaire principal (4), il fournisse une puissance suffisante pour que l'addition de la puissance fournie par les moyens de stockage (81 ) et la puissance fournie par le groupe électrogène thermique auxiliaire (1 1 ) soit suffisante pour permettre le démarrage de l'alternateur du groupe principal (2).
6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule élémentaire (8b) du groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) comporte en outre des moyens complémentaires (84) de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif, couplés aux éléments (81 ) de stockage d'énergie électrique et permettant au groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) d'assurer, sur commande, l'alimentation de l'alternateur du groupe principal (2) en phase de démarrage de ce dernier à partir de la tension disponible sur le réseau auxiliaire principal (4) et/ou de l'énergie disponible dans les éléments de stockage d'énergie (81 ), ou la charge des éléments (81 ) de stockage d'énergie électrique et/ou l'alimentation du réseau électrique auxiliaire principal (4) en soutirant de l'énergie électrique au moyen des moyens de conversion complémentaire (84) directement aux bornes de l'alternateur lorsque celui-ci est en marche.
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens complémentaires (84) de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif sont configurés de façon à fournir, sur commande, une tension d'alimentation de fréquence variable destinée à alimenter les moteurs des équipements auxiliaires (12) susceptibles de fonctionner à régime variable.
8. Système selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la cellule élémentaire (8b) du groupe secondaire de fourniture d'énergie électrique (7) comporte en outre un convertisseur DC/DC supplémentaire raccordé en parallèle du convertisseur (84) permettant d'alimenter le rotor de l'alternateur du groupe de production 2.
9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (82, 84) de conversion réversibles de courant continu en courant alternatif, sont réalisés à partir de commutateurs IGBT (transistors bipolaires à grilles isolées) commandés par des moyens appropriés.
10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande permettant de faire fonctionner chacun des moyens (82, 84) de conversion réversibles soit en convertisseur AC-DC soit en convertisseur DC-AC délivrant un courant alternatif de fréquence fixe donnée ou de fréquence variable.
1 1 . Centrale de production d'électricité, caractérisée en ce qu'elle comporte un système annexe de production d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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