Dans la nature, les rivières présentent toutes une certaine pente. L'eau s'écoule le long de son lit sous l'effet de la gravité. À haute altitude, l'eau recèle une énergie potentielle abondante. Grâce à des structures hydrauliques et à des équipements électromécaniques, l'énergie de l'eau peut être convertie en énergie électrique, ce qui permet la production d'énergie hydraulique. Le principe de la production d'énergie hydraulique repose sur l'induction électromagnétique : lorsqu'un conducteur coupe les lignes de flux magnétiques dans un champ magnétique, il génère du courant. Le mouvement du conducteur dans le champ magnétique est notamment assuré par l'impact de l'eau sur la turbine, transformant ainsi l'énergie hydraulique en énergie mécanique rotative. Le champ magnétique est presque toujours formé par le courant d'excitation généré par le système d'excitation circulant dans le rotor de la génératrice, autrement dit, le magnétisme est généré par l'électricité.
1. Qu'est-ce que le système d'excitation ? Pour réaliser la conversion d'énergie, le générateur synchrone a besoin d'un champ magnétique continu, et le courant continu qui génère ce champ magnétique est appelé courant d'excitation. Généralement, le processus de formation d'un champ magnétique dans le rotor du générateur selon le principe de l'induction électromagnétique est appelé excitation. Le système d'excitation désigne l'équipement qui fournit le courant d'excitation au générateur synchrone. C'est un élément important du générateur synchrone. Il se compose généralement de deux parties principales : l'unité de puissance d'excitation et le régulateur d'excitation. L'unité de puissance d'excitation fournit le courant d'excitation au rotor du générateur synchrone, et le régulateur d'excitation contrôle la sortie de l'unité de puissance d'excitation en fonction du signal d'entrée et des critères de régulation définis.
2. Fonction du système d'excitation. Le système d'excitation a les principales fonctions suivantes : (1) En fonctionnement normal, il fournit le courant d'excitation du générateur et ajuste ce courant selon la loi donnée en fonction de la tension aux bornes du générateur et des conditions de charge afin de maintenir la stabilité de la tension. Pourquoi la stabilité de la tension peut-elle être maintenue en ajustant le courant d'excitation ? Il existe une relation approximative entre le potentiel induit (potentiel à vide) Ed de l'enroulement statorique du générateur, la tension aux bornes Ug, le courant de charge réactif Ir du générateur et la réactance synchrone longitudinale Xd.
Le potentiel induit Ed est proportionnel au flux magnétique, et ce dernier dépend de l'intensité du courant d'excitation. Lorsque le courant d'excitation reste inchangé, le flux magnétique et le potentiel induit Ed restent inchangés. La formule ci-dessus montre que la tension aux bornes du générateur diminue avec l'augmentation du courant réactif. Cependant, pour répondre aux exigences de qualité de l'énergie, la tension aux bornes du générateur doit rester pratiquement inchangée. Pour y parvenir, il est évident que le courant d'excitation du générateur doit être ajusté en fonction des variations du courant réactif Ir (c'est-à-dire de la charge). (2) En fonction des conditions de charge, le courant d'excitation est ajusté selon une règle donnée pour ajuster la puissance réactive. Pourquoi est-il nécessaire d'ajuster la puissance réactive ? De nombreux équipements électriques fonctionnent selon le principe de l'induction électromagnétique, tels que les transformateurs, les moteurs, les machines à souder, etc. Ils reposent tous sur l'établissement d'un champ magnétique alternatif pour convertir et transférer l'énergie. La puissance électrique nécessaire à l'établissement d'un champ magnétique alternatif et du flux magnétique induit est appelée puissance réactive. Tous les équipements électriques équipés de bobines électromagnétiques consomment de la puissance réactive pour établir un champ magnétique. Sans puissance réactive, le moteur ne tourne pas, le transformateur ne peut pas transformer la tension et de nombreux équipements électriques ne fonctionnent pas. Par conséquent, la puissance réactive n'est en aucun cas inutile. En conditions normales, les équipements électriques reçoivent non seulement de la puissance active du générateur, mais aussi de la puissance réactive. Si la puissance réactive du réseau électrique est insuffisante, les équipements électriques ne disposeront pas de suffisamment de puissance réactive pour établir un champ électromagnétique normal. Ces équipements électriques ne peuvent alors pas maintenir leur puissance nominale et la tension aux bornes chute, affectant ainsi leur fonctionnement normal. Il est donc nécessaire d'ajuster la puissance réactive en fonction de la charge réelle, la puissance réactive délivrée par le générateur étant liée à l'intensité du courant d'excitation. Le principe spécifique ne sera pas développé ici. (3) Lorsqu'un accident de court-circuit se produit dans le système électrique ou que d'autres raisons provoquent une chute importante de la tension aux bornes du générateur, le générateur peut être excité de force pour améliorer la limite de stabilité dynamique du système électrique et la précision de l'action de protection du relais. (4) Lorsque la surtension du générateur se produit en raison d'un délestage soudain de la charge et d'autres raisons, le générateur peut être démagnétisé de force pour limiter l'augmentation excessive de la tension aux bornes du générateur. (5) Améliorer la stabilité statique du système électrique. (6) Lorsqu'un court-circuit entre phases se produit à l'intérieur du générateur et sur ses fils conducteurs ou que la tension aux bornes du générateur est trop élevée, une démagnétisation est effectuée rapidement pour limiter l'expansion de l'accident. (7) La puissance réactive des générateurs parallèles peut être raisonnablement répartie.
3. Classification des systèmes d'excitation Selon la manière dont le générateur obtient le courant d'excitation (c'est-à-dire la méthode d'alimentation de l'alimentation d'excitation), le système d'excitation peut être divisé en excitation externe et auto-excitation : le courant d'excitation obtenu à partir d'autres alimentations est appelé excitation externe ; le courant d'excitation obtenu à partir du générateur lui-même est appelé auto-excitation. Selon la méthode de redressement, il peut être divisé en excitation rotative et excitation statique. Le système d'excitation statique ne dispose pas d'une machine d'excitation spéciale. S'il obtient la puissance d'excitation du générateur lui-même, il est appelé excitation statique à auto-excitation. L'excitation statique à auto-excitation peut être divisée en excitation auto-parallèle et excitation auto-composée.
La méthode d'excitation la plus couramment utilisée est l'excitation statique auto-parallèle, comme illustré dans la figure ci-dessous. Elle obtient la puissance d'excitation via le transformateur redresseur connecté à la sortie du générateur et fournit le courant d'excitation du générateur après redressement.
Schéma de câblage du système d'excitation du redresseur statique à excitation auto-parallèle
Le système d'excitation statique à auto-excitation parallèle se compose principalement des éléments suivants : transformateur d'excitation, redresseur, dispositif de démagnétisation, contrôleur de régulation et dispositif de protection contre les surtensions. Ces cinq éléments assurent respectivement les fonctions suivantes :
(1) Transformateur d'excitation : Réduisez la tension à l'extrémité de la machine à une tension correspondant au redresseur.
(2) Redresseur : Il s'agit du composant central de tout système. Un circuit en pont triphasé entièrement contrôlé est souvent utilisé pour effectuer la conversion du courant alternatif au courant continu.
(3) Dispositif de démagnétisation : Le dispositif de démagnétisation se compose de deux parties : l'interrupteur de démagnétisation et la résistance de démagnétisation. Ce dispositif assure la démagnétisation rapide de l'appareil en cas d'accident.
(4) Contrôleur de régulation : Le dispositif de contrôle du système d'excitation modifie le courant d'excitation en contrôlant l'angle de conduction du thyristor du dispositif redresseur pour obtenir l'effet de régulation de la puissance réactive et de la tension du générateur.
(5) Protection contre les surtensions : lorsque le circuit du rotor du générateur présente une surtension, le circuit est activé pour consommer l'énergie de surtension, limiter la valeur de surtension et protéger l'enroulement du rotor du générateur et son équipement connecté.
Les avantages du système d'excitation statique à excitation parallèle automatique sont : une structure simple, moins d'équipement, un faible investissement et une maintenance réduite. L'inconvénient est que lorsque le générateur ou le système est court-circuité, le courant d'excitation disparaît ou chute considérablement, alors qu'il devrait être fortement augmenté (c'est-à-dire excitation forcée) à ce moment-là. Cependant, étant donné que les grandes unités modernes utilisent principalement des jeux de barres fermés et que les réseaux électriques haute tension sont généralement équipés d'une protection rapide et d'une grande fiabilité, le nombre d'unités utilisant cette méthode d'excitation augmente, et c'est également la méthode d'excitation recommandée par les réglementations et les spécifications. 4. Freinage électrique de l'unité Lorsque l'unité est déchargée et arrêtée, une partie de l'énergie mécanique est stockée en raison de l'énorme inertie de rotation du rotor. Cette partie de l'énergie ne peut être complètement arrêtée qu'après avoir été convertie en énergie thermique de frottement du palier de butée, du palier de guidage et de l'air. La perte de charge de l'air étant proportionnelle au carré de la vitesse linéaire circonférentielle, la vitesse du rotor chute très rapidement au début, puis le moteur tourne au ralenti pendant une longue période à faible vitesse. Lorsque l'unité fonctionne longtemps à faible vitesse, la butée peut griller, car le film d'huile entre la plaque miroir située sous la butée et la butée ne peut se former. De ce fait, lors de l'arrêt, lorsque la vitesse de l'unité chute en dessous d'une valeur spécifiée, le système de freinage de l'unité doit être activé. Le freinage de l'unité se divise en freinage électrique, freinage mécanique et freinage combiné. Le freinage électrique consiste à court-circuiter le stator de l'alternateur triphasé à la sortie de la machine après découplage et démagnétisation de l'alternateur, et à attendre que la vitesse de l'unité chute à environ 50 à 60 % de sa vitesse nominale. Par une série d'opérations logiques, la puissance de freinage est fournie et le régulateur d'excitation passe en mode de freinage électrique pour alimenter l'enroulement du rotor de l'alternateur. Comme le générateur tourne, le stator induit un courant de court-circuit sous l'action du champ magnétique du rotor. Le couple électromagnétique généré est exactement opposé à la direction d'inertie du rotor, ce qui joue un rôle de freinage. Pour réaliser le freinage électrique, l'alimentation de freinage doit être fournie par un circuit externe, ce qui est étroitement lié à la structure du circuit principal du système d'excitation. La figure ci-dessous illustre différentes manières d'obtenir l'alimentation d'excitation du frein électrique.
Différentes manières d'obtenir l'alimentation d'excitation du frein électrique
Dans le premier cas, le dispositif d'excitation est un câblage d'excitation auto-parallèle. Lorsque l'extrémité de la machine est court-circuitée, le transformateur d'excitation est hors tension. L'alimentation de freinage provient d'un transformateur de freinage dédié, lui-même connecté à l'alimentation de la centrale. Comme indiqué précédemment, la plupart des projets hydroélectriques utilisent un système d'excitation statique à redresseur auto-parallèle, et il est plus économique d'utiliser un pont redresseur pour le système d'excitation et le système de freinage électrique. Par conséquent, cette méthode d'alimentation du frein électrique est plus courante. Le processus de freinage électrique de cette méthode est le suivant :
(1) Le disjoncteur de sortie de l'unité est ouvert et le système est découplé.
(2) L'enroulement du rotor est démagnétisé.
(3) L'interrupteur d'alimentation du côté secondaire du transformateur d'excitation est ouvert.
(4) L'interrupteur de court-circuit du frein électrique de l'unité est fermé.
(5) L'interrupteur d'alimentation du côté secondaire du transformateur de freinage électrique est fermé.
(6) Le thyristor du pont redresseur est déclenché pour conduire et l'unité entre dans l'état de freinage électrique.
(7) Lorsque la vitesse de l'unité est nulle, le frein électrique est relâché (si le freinage combiné est utilisé, lorsque la vitesse atteint 5 à 10 % de la vitesse nominale, le freinage mécanique est appliqué). 5. Système d'excitation intelligent Une centrale hydroélectrique intelligente fait référence à une centrale hydroélectrique ou à un groupe de centrales hydroélectriques avec numérisation de l'information, mise en réseau de communication, normalisation intégrée, interaction commerciale, optimisation de l'exploitation et prise de décision intelligente. Les centrales hydroélectriques intelligentes sont divisées verticalement en couche de processus, couche d'unité et couche de contrôle de la station, en utilisant une structure de réseau à 3 couches et 2 réseaux de couche de processus (réseau GOOSE, réseau SV) et de couche de contrôle de la station (réseau MMS). Les centrales hydroélectriques intelligentes doivent être prises en charge par des équipements intelligents. En tant que système de contrôle central du groupe électrogène à turbine hydraulique, le développement technologique du système d'excitation joue un rôle de soutien important dans la construction de centrales hydroélectriques intelligentes.
Dans les centrales hydroélectriques intelligentes, outre les tâches de base telles que le démarrage et l'arrêt du groupe turbo-alternateur, l'augmentation et la diminution de la puissance réactive et l'arrêt d'urgence, le système d'excitation doit également être conforme aux fonctions de modélisation des données et de communication de la norme IEC61850 et prendre en charge la communication avec le réseau de la couche de contrôle de la station (réseau MMS) et le réseau de la couche de processus (réseaux GOOSE et SV). Le dispositif du système d'excitation est situé au niveau de la couche unitaire de la structure du système de la centrale hydroélectrique intelligente, tandis que l'unité de fusion, le terminal intelligent, l'unité de contrôle auxiliaire et les autres dispositifs ou équipements intelligents sont situés au niveau de la couche de processus. La structure du système est illustrée dans la figure ci-dessous.
Système d'excitation intelligent
L'ordinateur hôte de la couche de contrôle de la centrale hydroélectrique intelligente répond aux exigences de la norme de communication IEC61850 et transmet le signal du système d'excitation à l'ordinateur hôte du système de surveillance via le réseau MMS. Le système d'excitation intelligent doit pouvoir se connecter aux réseaux GOOSE et SV pour collecter les données au niveau de la couche processus. Cette dernière exige que les données émises par les TC, les TP et les composants locaux soient toutes numériques. Les TC et les TP sont connectés à l'unité de fusion (les transformateurs électroniques sont connectés par des câbles optiques et les transformateurs électromagnétiques par des câbles). Une fois numérisées, les données de courant et de tension sont connectées au commutateur SV par des câbles optiques. Les composants locaux doivent être connectés au terminal intelligent par des câbles, et les signaux de commutation ou analogiques sont convertis en signaux numériques et transmis au commutateur GOOSE par des câbles optiques. Actuellement, le système d'excitation assure essentiellement la communication avec le réseau MMS de la couche de contrôle de la centrale et le réseau GOOSE/SV de la couche processus. Outre la conformité aux exigences d'interaction réseau de la norme de communication IEC61850, le système d'excitation intelligent doit également offrir une surveillance en ligne complète, un diagnostic intelligent des pannes et une exploitation et une maintenance aisées. Les performances et les effets d'application d'un dispositif d'excitation intelligent pleinement fonctionnel doivent être testés dans de futures applications techniques réelles.
Date de publication : 09/10/2024
