Dans la nature, tous les cours d'eau présentent une certaine pente. L'eau s'écoule le long de son lit sous l'effet de la gravité. L'eau en altitude recèle une importante énergie potentielle. Grâce à des ouvrages hydrauliques et des équipements électromécaniques, cette énergie peut être convertie en énergie électrique, c'est-à-dire en énergie hydroélectrique. Le principe de la production d'énergie hydroélectrique repose sur l'induction électromagnétique : lorsqu'un conducteur traverse les lignes de flux magnétique d'un champ magnétique, il génère un courant. Le mouvement du conducteur dans le champ magnétique est obtenu par le flux d'eau qui frappe la turbine, convertissant ainsi l'énergie hydraulique en énergie mécanique de rotation. Le champ magnétique est presque toujours formé par le courant d'excitation généré par le système d'excitation traversant l'enroulement du rotor du générateur ; autrement dit, le magnétisme est produit par l'électricité.
1. Qu'est-ce que le système d'excitation ? Pour réaliser la conversion d'énergie, le générateur synchrone nécessite un champ magnétique continu. Le courant continu qui génère ce champ magnétique est appelé courant d'excitation du générateur. 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'ensemble des équipements fournissant le courant d'excitation au générateur synchrone. Il constitue un élément essentiel de ce dernier. 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 remplit les fonctions principales suivantes : (1) En conditions normales de fonctionnement, il fournit le courant d'excitation du générateur et l'ajuste selon une loi donnée, en fonction de la tension aux bornes du générateur et des conditions de charge, afin de maintenir la stabilité de la tension. Comment la stabilité de la tension peut-elle être maintenue par l'ajustement du courant d'excitation ? Il existe une relation approximative entre le potentiel induit (c'est-à-dire le potentiel à vide) Ed de l'enroulement statorique du générateur, la tension aux bornes Ug, le courant réactif Ir du générateur et la réactance synchrone longitudinale Xd :
Le potentiel induit Ed est proportionnel au flux magnétique, lequel dépend de l'intensité du courant d'excitation. Lorsque le courant d'excitation reste constant, le flux magnétique et le potentiel induit Ed restent constants. D'après la formule ci-dessus, on constate que la tension aux bornes du générateur diminue lorsque le courant réactif augmente. Or, pour satisfaire aux exigences de qualité de l'énergie de l'utilisateur, la tension aux bornes du générateur doit rester sensiblement constante. De toute évidence, pour répondre à cette exigence, il est nécessaire d'ajuster le courant d'excitation du générateur en fonction des variations du courant réactif Ir (c'est-à-dire des variations de la charge). (2) En fonction des conditions de charge, le courant d'excitation est ajusté selon une règle donnée afin de modifier 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 de ce champ magnétique alternatif et du flux magnétique induit est appelée puissance réactive. Tous les équipements électriques dotés de bobines électromagnétiques consomment de la puissance réactive pour établir un champ magnétique. Sans puissance réactive, le moteur ne tournerait pas, le transformateur ne pourrait pas convertir la tension et de nombreux équipements électriques seraient inopérants. La puissance réactive est donc loin d'être une énergie inutile. En fonctionnement normal, les équipements électriques reçoivent non seulement de la puissance active du générateur, mais aussi de la puissance réactive. En cas de déficit de puissance réactive sur le réseau électrique, les équipements électriques ne disposeront pas de la puissance réactive suffisante pour établir un champ électromagnétique normal. Ils ne pourront alors plus fonctionner à leur puissance nominale et leur tension aux bornes chutera, perturbant ainsi leur fonctionnement. Il est donc nécessaire d'ajuster la puissance réactive en fonction de la charge réelle. La puissance réactive fournie par le générateur est liée à l'intensité du courant d'excitation. Le principe précis ne sera pas détaillé ici. (3) En cas de court-circuit sur le réseau électrique ou de chute importante de la tension aux bornes du générateur pour d'autres raisons, ce dernier peut être forcé à s'amorcer afin d'améliorer la stabilité dynamique du réseau et la précision de la protection par relais. (4) En cas de surtension du générateur due à un délestage brutal ou à d'autres causes, celui-ci peut être forcé à s'amorcer afin de limiter la surtension à ses bornes. (5) Amélioration de la stabilité statique du réseau électrique. (6) En cas de court-circuit entre phases au sein du générateur ou sur ses conducteurs, ou en cas de tension excessive à ses bornes, une démagnétisation rapide est effectuée afin de limiter la propagation de l'incident. (7) Répartition optimale de la puissance réactive des générateurs en parallèle.
3. Classification des systèmes d'excitation. Selon la manière dont le générateur obtient le courant d'excitation (c'est-à-dire le mode d'alimentation de la source d'excitation), on distingue l'excitation externe et l'auto-excitation : l'excitation externe est obtenue par une source d'alimentation externe ; l'auto-excitation est obtenue par le générateur lui-même. Selon le mode de redressement, on distingue l'excitation rotative et l'excitation statique. Un système d'excitation statique ne nécessite pas de machine d'excitation dédiée. S'il tire sa puissance d'excitation du générateur lui-même, on parle d'auto-excitation statique. L'auto-excitation statique se divise en auto-excitation parallèle et auto-excitation composée.
La méthode d'excitation la plus couramment utilisée est l'excitation statique auto-parallèle, comme illustré dans la figure ci-dessous. Elle utilise un transformateur redresseur connecté à la sortie du générateur pour produire le courant d'excitation de ce dernier.
Schéma de câblage d'un système d'excitation par 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, régulateur et dispositif de protection contre les surtensions. Ces cinq éléments remplissent 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 principal de l’ensemble du système. Un pont redresseur triphasé entièrement commandé est souvent utilisé pour effectuer la conversion du courant alternatif en 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’unité en cas d’accident.
(4) Contrôleur de régulation : Le dispositif de commande du système d'excitation modifie le courant d'excitation en contrôlant l'angle de conduction du thyristor du dispositif redresseur afin d'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 la surtension et protéger l'enroulement du rotor du générateur et ses équipements connectés.
Les avantages du système d'excitation statique auto-parallèle sont les suivants : structure simple, équipement réduit, investissement faible et maintenance simplifiée. Son inconvénient réside dans le fait qu'en cas de court-circuit du générateur ou du système, le courant d'excitation disparaît ou chute considérablement, alors qu'il faudrait alors l'augmenter fortement (excitation forcée). Cependant, étant donné que les grandes unités modernes utilisent majoritairement des barres omnibus fermées et que les réseaux électriques à haute tension sont généralement équipés de protections rapides et d'une grande fiabilité, le nombre d'unités utilisant cette méthode d'excitation est en augmentation, et il s'agit d'ailleurs de 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'importante inertie de rotation du rotor. Cette énergie ne peut être complètement dissipée qu'après sa conversion en chaleur par frottement des paliers de butée, des paliers de guidage et de l'air. Les pertes par frottement de l'air étant proportionnelles au carré de la vitesse linéaire circonférentielle, la vitesse du rotor chute très rapidement dans un premier temps, puis l'unité tourne au ralenti pendant une période prolongée. Lorsque le groupe fonctionne longtemps à faible vitesse, la bague de butée peut se détériorer car le film d'huile entre la plaque miroir sous la tête de butée et la bague de palier ne peut se former. C'est pourquoi, lors de l'arrêt, lorsque la vitesse du groupe atteint une valeur spécifiée, le système de freinage doit être activé. Ce freinage peut être électrique, mécanique ou combiné. Le freinage électrique consiste à court-circuiter le stator du générateur triphasé à la sortie côté machine après découplage et démagnétisation du générateur, et à attendre que la vitesse du groupe chute à environ 50 à 60 % de sa vitesse nominale. Après une série d'opérations logiques, la puissance de freinage est fournie et le régulateur d'excitation bascule en mode de freinage électrique pour injecter un courant d'excitation dans l'enroulement rotorique du générateur. La rotation du générateur induit un courant de court-circuit dans le stator sous l'effet du champ magnétique rotorique. Le couple électromagnétique ainsi généré est opposé au sens d'inertie du rotor, assurant le freinage. Pour réaliser un freinage électrique, l'alimentation électrique nécessaire est externe et dépend étroitement de la structure du circuit principal du système d'excitation. Différentes méthodes d'obtention de cette alimentation sont illustrées dans la figure ci-dessous.
Différentes manières d'obtenir l'alimentation électrique d'excitation du frein électrique
Dans la première méthode, le dispositif d'excitation utilise un câblage d'excitation auto-parallèle. En cas de court-circuit côté machine, le transformateur d'excitation est hors tension. L'alimentation du freinage provient d'un transformateur de freinage dédié, lui-même connecté au réseau électrique de la centrale. Comme mentionné précédemment, la plupart des centrales hydroélectriques utilisent un système d'excitation par redresseur statique auto-parallèle. L'utilisation d'un pont redresseur pour le système d'excitation et le système de freinage électrique s'avère plus économique. Par conséquent, cette méthode d'alimentation du système de freinage électrique est la plus courante. Le fonctionnement du freinage électrique selon cette méthode est le suivant :
(1) Le disjoncteur du circuit de sortie de l'unité est ouvert et le système est découplé.
(2) L'enroulement du rotor est démagnétisé.
(3) L'interrupteur de puissance 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 frein 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 du groupe est nulle, le frein électrique est relâché (en cas de freinage combiné, le freinage mécanique s'applique lorsque la vitesse atteint 5 à 10 % de la vitesse nominale). 5. Système d'excitation intelligent. Une centrale hydroélectrique intelligente désigne une centrale ou un groupement de centrales hydroélectriques intégrant la numérisation des informations, la mise en réseau des communications, la normalisation intégrée, l'interaction commerciale, l'optimisation des opérations et la prise de décision intelligente. Les centrales hydroélectriques intelligentes sont structurées verticalement en trois couches : couche de traitement, couche des unités et couche de contrôle de la centrale. Elles utilisent une architecture à trois couches et deux réseaux : le réseau de la couche de traitement (réseau GOOSE, réseau SV) et le réseau de la couche de contrôle de la centrale (réseau MMS). Les centrales hydroélectriques intelligentes nécessitent des équipements intelligents. En tant que système de contrôle central du groupe hydroélectrique, le développement technologique du système d'excitation joue un rôle essentiel 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 turboalternateur, la variation de puissance réactive et l'arrêt d'urgence, le système d'excitation doit également assurer la modélisation des données et les fonctions de communication de la norme IEC 61850, et permettre la communication avec le réseau de la couche de contrôle de la centrale (réseau MMS) et le réseau de la couche de traitement (réseaux GOOSE et SV). Le système d'excitation est intégré au niveau unitaire de l'architecture de la centrale, tandis que l'unité de fusion, le terminal intelligent, l'unité de commande auxiliaire et les autres dispositifs ou équipements intelligents sont intégrés au niveau de traitement. L'architecture du système est illustrée 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 IEC 61850 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 commutateurs des réseaux GOOSE et SV pour collecter les données au niveau du traitement. Ce niveau requiert que les données de sortie des transformateurs de courant (TC), des transformateurs de potentiel (TP) et des composants locaux soient toutes sous forme numérique. Les TC et TP sont connectés à l'unité de fusion (les transformateurs électroniques sont connectés par fibre optique et les transformateurs électromagnétiques par câble). Après numérisation des données de courant et de tension, celles-ci sont transmises au commutateur du réseau SV par fibre optique. Les composants locaux doivent être connectés au terminal intelligent par câble, et les signaux analogiques ou de commutation sont convertis en signaux numériques puis transmis au commutateur du réseau GOOSE par fibre optique. Actuellement, le système d'excitation assure la communication entre le réseau MMS de la couche de contrôle et les réseaux GOOSE/SV de la couche de traitement. Outre la conformité aux exigences d'échange d'informations réseau de la norme de communication IEC 61850, le système d'excitation intelligent doit également intégrer une surveillance en ligne complète, un diagnostic intelligent des pannes ainsi que des procédures de test et de maintenance simplifiées. Les performances et l'efficacité de ce dispositif d'excitation intelligent pleinement fonctionnel devront être validées lors d'applications concrètes.
Date de publication : 9 octobre 2024
