Effet du volant d'inertie du générateur et stabilité du système de régulation de la turbineEffet du volant d'inertie du générateur et stabilité du système de régulation de la turbineEffet du volant d'inertie du générateur et stabilité du système de régulation de la turbineEffet du volant d'inertie du générateur et stabilité du système de régulation de la turbine
Les grands générateurs hydroélectriques modernes ont une constante d'inertie plus faible et peuvent rencontrer des problèmes de stabilité du système de régulation de la turbine. Ceci est dû au comportement de l'eau de la turbine, qui, du fait de son inertie, provoque des coups de bélier dans les conduites de refoulement lors de l'actionnement des dispositifs de régulation. Ce phénomène est généralement caractérisé par les constantes de temps d'accélération hydraulique. En fonctionnement isolé, lorsque la fréquence de l'ensemble du système est déterminée par le régulateur de la turbine, les coups de bélier affectent la régulation de vitesse et l'instabilité se manifeste par des fluctuations de fréquence. En fonctionnement interconnecté avec un grand système, la fréquence est essentiellement maintenue constante par ce dernier. Les coups de bélier affectent alors la puissance fournie au système et les problèmes de stabilité ne se posent que lorsque la puissance est régulée en boucle fermée, c'est-à-dire dans le cas des générateurs hydroélectriques participant à la régulation de fréquence.
La stabilité du régulateur de turbine est fortement influencée par le rapport entre la constante de temps d'accélération mécanique due à la constante de temps d'accélération hydraulique des masses d'eau et le gain du régulateur. Une réduction de ce rapport a un effet déstabilisateur et nécessite une réduction du gain du régulateur, ce qui nuit à la stabilisation de la fréquence. Par conséquent, un effet de volant d'inertie minimal pour les pièces rotatives d'une unité hydraulique est nécessaire, ce qui ne peut généralement être assuré que par l'alternateur. Une autre solution consiste à réduire la constante de temps d'accélération mécanique en installant une soupape de surpression, un réservoir tampon, etc., mais cette solution est généralement très coûteuse. Un critère empirique pour la capacité de régulation de vitesse d'une unité de production hydraulique pourrait être basé sur l'augmentation de vitesse de l'unité, qui peut se produire lors de la dérivation de la totalité de la charge nominale de l'unité fonctionnant indépendamment. Pour les groupes électrogènes fonctionnant dans de grands réseaux interconnectés et devant réguler la fréquence du réseau, l'indice d'augmentation de vitesse en pourcentage calculé ci-dessus a été considéré comme ne dépassant pas 45 %. Pour les systèmes plus petits, une augmentation de vitesse plus faible peut être prévue (voir chapitre 4).
Section longitudinale de la prise d'eau à la centrale électrique de Dehar
(Source : Article de l'auteur – 2e Congrès mondial, Association internationale des ressources en eau, 1979) Pour la centrale électrique de Dehar, le système hydraulique sous pression reliant le réservoir d'équilibrage à l'unité de production d'énergie, composé d'une prise d'eau, d'un tunnel de pression, d'un réservoir d'équilibre différentiel et d'une conduite forcée, est illustré. En limitant l'augmentation maximale de pression dans les conduites forcées à 35 %, l'augmentation maximale estimée de la vitesse de l'unité lors du rejet de la pleine charge s'élevait à environ 45 % avec la fermeture du régulateur.
Temps de 9,1 secondes à une hauteur manométrique nominale de 282 m (925 pi) avec l'effet de volant d'inertie normal des pièces rotatives du générateur (c'est-à-dire, fixé uniquement en fonction de l'échauffement). Au premier stade de fonctionnement, l'augmentation de vitesse n'a pas dépassé 43 %. Il a donc été considéré que l'effet de volant d'inertie normal est suffisant pour réguler la fréquence du système.
Paramètres du générateur et stabilité électrique
Les paramètres du générateur ayant une incidence sur la stabilité sont l'effet de volant d'inertie, la réactance transitoire et le rapport de court-circuit. Lors de la phase initiale de développement du système THT 420 kV, comme à Dehar, les problèmes de stabilité risquent d'être critiques en raison de la faiblesse du système, du faible niveau de court-circuit, du fonctionnement à facteur de puissance en avance et de la nécessité de réaliser des économies dans la fourniture des prises de transport et la définition de la taille et des paramètres des groupes électrogènes. Les études préliminaires de stabilité transitoire sur analyseur de réseau (utilisant une tension constante derrière la réactance transitoire) pour le système THT de Dehar ont également indiqué que seule une stabilité marginale serait obtenue. Au début de la conception de la centrale de Dehar, il a été envisagé de spécifier des générateurs à courant normal.
Caractéristiques et atteindre les exigences de stabilité en optimisant les paramètres des autres facteurs impliqués, notamment ceux du système d'excitation, constituerait une alternative économiquement plus économique. Une étude du système britannique a également montré que la modification des paramètres du générateur a comparativement beaucoup moins d'effet sur les marges de stabilité. Par conséquent, les paramètres normaux du générateur, tels qu'indiqués en annexe, ont été spécifiés pour le générateur. Les études de stabilité détaillées réalisées sont présentées.
Capacité de charge de la ligne et stabilité de la tension
Les générateurs hydroélectriques isolés utilisés pour charger de longues lignes THT déchargées dont la puissance de charge en kVA est supérieure à la capacité de charge de la machine peuvent provoquer une auto-excitation de la machine et une augmentation de la tension incontrôlable. La condition d'auto-excitation est que xc < xd, où xc est la réactance de charge capacitive et xd la réactance d'axe direct synchrone. La capacité requise pour charger une seule ligne 420 kV déchargée E2 /xc jusqu'à Panipat (extrémité réceptrice) était d'environ 150 MVAR à la tension nominale. Dans un deuxième temps, lorsqu'une deuxième ligne 420 kV de longueur équivalente est installée, la capacité de charge requise pour charger simultanément les deux lignes déchargées à la tension nominale serait d'environ 300 MVAR.
La capacité de charge de ligne disponible à la tension nominale du générateur Dehar, telle qu'indiquée par les fournisseurs de l'équipement, était la suivante :
(i)Une charge de ligne de 70 pour cent de MVA nominale, soit 121,8 MVAR, est possible avec une excitation positive minimale de 10 pour cent.
(ii)Jusqu'à 87 pour cent de la puissance nominale en MVA, soit 139 MVAR, la capacité de charge de ligne est possible avec une excitation positive minimale de 1 pour cent.
(iii)Jusqu'à 100 pour cent de la puissance nominale MVAR, soit 173,8 capacités de charge de ligne, peuvent être obtenues avec environ 5 pour cent d'excitation négative et la capacité de charge de ligne maximale qui peut être obtenue avec une excitation négative de 10 pour cent est de 110 pour cent de la puissance nominale MVA (191 MVAR) selon BSS.
(iv) Une augmentation supplémentaire des capacités de charge de ligne n'est possible qu'en augmentant la taille de la machine. Dans les cas (ii) et (iii), la commande manuelle de l'excitation est impossible et il faut s'appuyer entièrement sur le fonctionnement continu de régulateurs de tension automatiques à action rapide. Il n'est ni économiquement réalisable ni souhaitable d'augmenter la taille de la machine pour accroître les capacités de charge de ligne. Par conséquent, compte tenu des conditions de fonctionnement en première phase, il a été décidé de prévoir une capacité de charge de ligne de 191 MVAR à la tension nominale des alternateurs en fournissant une excitation négative sur ces derniers. Une condition de fonctionnement critique entraînant une instabilité de tension peut également être causée par la déconnexion de la charge côté récepteur. Ce phénomène est dû à la charge capacitive de la machine, qui est également affectée par l'augmentation de la vitesse de l'alternateur. Une auto-excitation et une instabilité de tension peuvent se produire si…
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Où Xc est la réactance de charge capacitive, Xq la réactance synchrone en quadrature et n la survitesse relative maximale se produisant lors du rejet de charge. Il a été proposé d'éviter cette condition sur le générateur Dehar en installant une réactance shunt THT de 400 kV (75 MVA) connectée en permanence à l'extrémité réceptrice de la ligne, conformément aux études détaillées réalisées.
Enroulement d'amortisseur
La fonction principale d'un enroulement amortisseur est de prévenir les surtensions excessives en cas de défauts entre phases avec des charges capacitives, réduisant ainsi les contraintes de surtension sur l'équipement. Compte tenu des emplacements éloignés et des longues lignes de transport interconnectées, des enroulements amortisseurs entièrement connectés avec un rapport entre les réactances en quadrature et en axe direct Xnq/Xnd inférieur ou égal à 1,2 ont été spécifiés.
Caractéristiques du générateur et système d'excitation
Les générateurs ayant des caractéristiques normales ayant été spécifiés et les études préliminaires n'ayant indiqué qu'une stabilité marginale, il a été décidé d'utiliser un équipement d'excitation statique à grande vitesse pour améliorer les marges de stabilité et obtenir la configuration globale la plus économique. Des études détaillées ont été menées pour déterminer les caractéristiques optimales de l'équipement d'excitation statique et sont présentées au chapitre 10.
Considérations sismiques
La centrale électrique de Dehar se situe en zone sismique. Les dispositions suivantes ont été proposées pour la conception du générateur hydroélectrique de Dehar, en consultation avec les fabricants d'équipements et en tenant compte des conditions sismiques et géologiques du site, ainsi que du rapport du Comité d'experts sur les tremblements de terre de Koyna, constitué par le gouvernement indien avec l'aide de l'UNESCO.
Résistance mécanique
Les générateurs Dehar doivent être conçus pour résister en toute sécurité à la force d'accélération maximale du tremblement de terre, à la fois dans la direction verticale et horizontale, attendue à Dehar agissant au centre de la machine.
Fréquence naturelle
La fréquence naturelle de la machine doit être maintenue à une valeur supérieure à la fréquence magnétique de 100 Hz (soit deux fois la fréquence du générateur). Cette fréquence naturelle sera très éloignée de la fréquence sismique et sa marge de sécurité sera vérifiée par rapport à la fréquence prédominante du séisme et à la vitesse critique du système en rotation.
Support de stator de générateur
Les fondations du stator du générateur et des paliers de butée et de guidage inférieurs sont constituées de plusieurs plaques d'assise. Ces plaques sont fixées latéralement à la fondation, en plus de la verticale, par des boulons de fondation.
Conception du roulement de guidage
Les paliers de guidage doivent être de type segmenté et leurs pièces doivent être renforcées pour résister à la force sismique. Les fabricants recommandent également de fixer latéralement le support supérieur au fût (caisson du générateur) au moyen de poutres en acier. Cela implique également de renforcer le fût en béton.
Détection des vibrations des générateurs
Il est recommandé d'installer des détecteurs de vibrations ou des excentricomètres sur les turbines et les générateurs afin de déclencher l'arrêt et l'alarme si les vibrations dues à un tremblement de terre dépassent une valeur prédéterminée. Ce dispositif peut également être utilisé pour détecter toute vibration anormale d'une unité due aux conditions hydrauliques affectant la turbine.
Contacts Mercure
De fortes secousses dues à un tremblement de terre peuvent entraîner un déclenchement intempestif provoquant l'arrêt d'une unité si des contacts au mercure sont utilisés. Ceci peut être évité en spécifiant des interrupteurs à mercure antivibratoires ou, si nécessaire, en ajoutant des relais temporisés.
Conclusions
(1) Des économies substantielles sur le coût des équipements et des structures de la centrale électrique de Dehar ont été obtenues en adoptant une taille d'unité importante en tenant compte de la taille du réseau et de son influence sur la capacité de réserve du système.
(2) Le coût des générateurs a été réduit en adoptant une conception de construction en parapluie qui est désormais possible pour les grands générateurs hydroélectriques à grande vitesse grâce au développement de l'acier à haute résistance pour les poinçonnages des jantes du rotor.
(3) L’acquisition de générateurs à facteur de puissance élevé naturel après des études détaillées a permis de réaliser des économies supplémentaires.
(4) L'effet de volant normal des pièces rotatives du générateur à la station de régulation de fréquence de Dehar a été considéré comme suffisant pour la stabilité du système de régulation de turbine en raison du grand système interconnecté.
(5) Les paramètres spéciaux des générateurs à distance alimentant les réseaux THT pour assurer la stabilité électrique peuvent être respectés par des systèmes d'excitation statique à réponse rapide.
(6) Les systèmes d'excitation statique à action rapide peuvent offrir les marges de stabilité nécessaires. Cependant, ces systèmes nécessitent des signaux de rétroaction stabilisateurs pour assurer la stabilité après défaut. Des études détaillées doivent être réalisées.
(7) L'auto-excitation et l'instabilité de tension des générateurs distants interconnectés au réseau par de longues lignes THT peuvent être évitées en augmentant la capacité de charge de la ligne de la machine en recourant à une excitation négative et/ou en utilisant des réacteurs shunt THT connectés en permanence.
(8) Des dispositions peuvent être prises lors de la conception des générateurs et de leurs fondations pour assurer des protections contre les forces sismiques à faible coût.
Principaux paramètres des générateurs Dehar
Rapport de court-circuit = 1,06
Réactance transitoire axe direct = 0,2
Effet de volant d'inertie = 39,5 x 106 lb pi2
Xnq/Xnd pas supérieur à = 1,2
Date de publication : 11 mai 2021
