Concept de régulation d’une turbine hydroélectrique par débit fortement variable

Les petites centrales hydroélectriques 

Définitions 

En Suisse les centrales sont désignées comme micro lorsque celles-ci ont une puissance inférieure à 300 kW. Selon la loi sur la protection des eaux on distingue les deux catégories suivantes en considérant le débit résiduel (le débit restant après le prélèvement d’eau pour le turbinage) :

➤ Les centrales au fil de l’eau
o La restitution se situe après une dérivation de moins de 50 mètres.
o Un débit résiduel n’est pas requis.
➤ Les centrales de dérivation
o La dérivation de l’eau est supérieure à 50 mètres.
o Un débit résiduel est requis.

Les petites centrales ont à peu près le même principe de fonctionnement que les grandes centrales. Ce qui les différencie, c’est surtout le fait que les premières ont une conception ainsi qu’une exploitation plus simple. Elles peuvent utiliser comme source d’eau entres autres :

➤ Un fleuve / une rivière
➤ Une source
➤ Un réseau d’eau potable
➤ Un réseau d’évacuation d’eaux usées ou de drainages .

Toutes les centrales hydroélectriques ont, indépendamment de leur taille, une production d’énergie qui dépend du débit d’eau et de la hauteur de chute disponible. Cette dernière doit avoir au minimum deux mètres pour être exploitable.

Turbines hydrauliques 

Dans une turbine hydraulique, l’énergie hydraulique de l’eau est partiellement convertie en énergie mécanique à l’arbre de la machine.

Principaux types de turbines hydrauliques

Parmi les turbines hydrauliques on distingue les turbines à action et les turbines à réaction :
• Turbines à action :
L’énergie à disposition de l’aubage (surface qui permet de guider l’eau) est entièrement sous forme d’énergie cinétique.
• Turbines à réaction :
L’énergie captée est sous forme d’énergie cinétique et sous forme de pression.

Les turbines peuvent avoir un ou plusieurs étages (une ou plusieurs machines montées sur le même arbre) et avoir un à deux flux (le débit traverse la même machine ou est reparti entre deux machines en parallèle).

Turbine Pelton

La turbine Pelton est une turbine à action. Elle est constituée d’une roue munie d’aubes (appelées augets) qui est mise en rotation par l’eau envoyé par un ou plusieurs injecteurs (jusqu’à 6). Dans la majorité des cas, elle comporte aussi un déflecteur. Tous ses éléments sont placés dans une bâche qui protège la roue et évacue l’eau.

Augets
La force du jet sur l’auget met la roue en rotation. Les augets sont profilés de façon à maximiser le rendement. Ils permettent à l’eau de s’échapper sur les côtés de la roue.

Injecteur
L’injecteur est construit pour produire un jet d’eau aussi homogène que possible avec un minimum de dispersion. Il possède à l’intérieur un pointeau mobile qui est déplacé par un servomoteur. Ce pointeau permet de régler le débit.

Déflecteur
Son rôle est de dévier le jet d’eau en cas d’incident grave sur la turbine ou sur le générateur et d’éviter ainsi les coups de bélier dans la conduite ou l’emballement de la turbine. Il est souvent manœuvré par un ressort ou un contrepoids.

Machines électriques

Les machines électriques sont nommées d’après leur mode de fonctionnement :
• « Générateur » pour une machine qui convertit de l’énergie mécanique en énergie électrique
• « Moteur » pour une machine qui convertit de l’énergie électrique en énergie mécanique .

Toutes les machines électriques peuvent fonctionner aussi bien en génératrice qu’en moteur. Les machines électriques tournantes se composent d’une partie mobile (rotor) et d’une partie fixe (stator). Parmi les machines électriques tournantes à courant alternatif on distingue :
• Les machines synchrones
• Les machines asynchrones .

Machine asynchrone
Elle est nommée ainsi parce que sa vitesse en charge et la fréquence du réseau auquel elle est reliée ne sont pas dans un rapport constant. On retrouve aussi l’appellation « machine à induction » parce que le champ tournant du stator induit des courants alternatifs dans le circuit rotorique. Le stator se compose de trois groupes de conducteurs logés dans des encoches et associés de façon à former trois enroulements identiques, chacun correspondant à une phase. Ils sont décalés d’un angle électrique de 120° les uns par rapport aux autres. Etant parcourus par trois courants (système triphasé) ils créent un champ tournant excitateur. Ce champ à répartition sinusoïdale, comportant 2p pôles (p=paire), a une vitesse angulaire Ωs (rad/s) qui est liée à la pulsation électrique ω des courants d’alimentation et au nombre p de paires de pôles déterminé par le bobinage du stator. Le rotor comporte un bobinage en court-circuit qui n’est branché sur aucune source extérieure de tension (sauf utilisation particulière avec rotor bobiné). Ils existent quatre types dont deux sont décrits ci-dessous :

➤ Rotor à cage d’écureuil
o Ce rotor se compose de tôles ferromagnétiques et de barres de cuivre ou d’aluminium. Celles-ci sont placées dans des encoches et sont reliées entre elles à chaque extrémité par un anneau de court-circuit de même matière.
➤ Rotor bobiné ou à bague
o Celui-ci est constitué de trois bobines de fil isolé placées dans des encoches, chacune étant reliée à une bague. Elles sont reliées, comme le bobinage statorique, de façon à réaliser un enroulement triphasé dont les trois phases sont court-circuitées entreelles.

Le champ excitateur qui tourne à une vitesse angulaire Ωs dans l’entrefer de la machine induit des tensions dans les conducteurs rotoriques. Ces derniers étant en court-circuit, ils sont parcourus par des courants induits (courants de Foucault) qui créent à leur tour un champ tournant induit. L’interaction de ces deux champs (d’après la loi de Lenz le champ induit essaie d’annuler le champ excitateur) génère un couple qui est responsable de la rotation du rotor. Celui-ci doit donc s’autoexciter.

Les paramètres de réglage de la turbine 

Le débit Q et la puissance P :
➤ L’ouverture de l’injecteur est réglée en fonction de l’eau à disposition pour maintenir le niveau de référence z3.
o Si le niveau d’eau est trop bas, l’injecteur est fermé pour diminuer le débit turbiné et la puissance.
o Si le niveau d’eau est trop haut, l’injecteur est ouvert pour augmenter le débit turbiné et la puissance.
➤ Le débit de la turbine ne doit pas dépasser le débit capté à la prise d’eau car si non le niveau dans la conduite baisse et la turbine s’arrête par la détection de pression minimale.

La vitesse de rotation ω ou n :
➤ Les machines entraînées par une turbine sont conçues pour fonctionner à vitesse constante.
➤ Si la centrale fonctionne en parallèle sur le réseau de distribution électrique, c’est ce dernier qui fixe la fréquence du courant produit par le générateur et donc la vitesse de rotation de la turbine. Une turbine doit alors disposer d’un régulateur niveau d’eau/débit qui maintient le niveau en amont constant.

Les différentes étapes de fonctionnement

Celles-ci s’appliquent aux turbines Pelton avec des générateurs asynchrones connectés au réseau.

Démarrage du groupe turbogénérateur
Opérations :
1. Dégagement du déflecteur
2. Fermeture de la vanne bypass (permet la déviation de l’eau)
3. Ouverture lente du pointeau jusqu’à atteindre approximativement la vitesse synchrone
4. Enclenchement du disjoncteur (ou du contacteur) permettant d’interconnecter la génératrice asynchrone et le réseau.
5. Enclenchement de la batterie de condensateurs (en cas de compensation du facteur de puissance)
6. Augmentation du débit d’eau dans la turbine pour l’augmentation de la charge active fournie au réseau .

Fonctionnement normal
Dès que le groupe turbogénérateur est en parallèle sur le réseau, la régulation de niveau entre en action. Les régulateurs qui ajustent le débit de la turbine travaillent généralement par impulsions plus ou moins rapprochées selon le degré de correction désiré.

Arrêt normal
Opérations :
1. Fermeture du pointeau
2. Engagement du déflecteur
3. Ouverture du disjoncteur du générateur .

Arrêt d’urgence
La fermeture d’urgence est actionnée par une source d’énergie indépendante du réseau électrique (batterie, contrepoids, ressort, accumulateur d’huile, etc.).
Opérations :
• Engagement du déflecteur
• Fermeture du pointeau .

Table des matières

1 Introduction
2 Les petites centrales hydroélectriques
2.1 Définitions
2.2 Turbines hydrauliques
2.2.1 Principaux types de turbines hydrauliques
2.2.2 Caractéristiques principales
2.2.3 Turbine Pelton
2.3 Machines électriques
2.4 Régulation
2.4.1 Les différents modes de régulation des turbines
2.4.2 Les différents points de mesure du niveau d’eau
2.4.3 Les paramètres de réglage de la turbine
2.4.4 Les différentes étapes de fonctionnement
2.4.5 Appareils pour la mesure de niveau
2.4.6 Types de régulateurs
3 Site hydroélectrique de Beudon
3.1 Description du site
3.2 Etat initial
3.2.1 Fonctionnement de la centrale
3.2.2 Description de l’état des installations
3.2.3 Tests de fonctionnement et vérifications
3.3 Variantes d’amélioration envisagées
4 Travaux exécutés
4.1 Analyse et actualisation des schémas électriques
4.1.1 Plan de câblage et schéma développé (turbine 1)
4.1.2 Schéma de la mesure du niveau
4.1.3 Schéma de l’entraînement du pointeau de l’injecteur (turbine 1)
4.1.4 Schéma de connexion du nouvel automate
4.2 Demandes d’offres
4.3 Les nouveaux composants
4.3.1 La mesure de niveau analogique
4.3.2 L’automate programmable (API)
4.3.3 La protection contre la surtension
4.4 Réparations réalisées
4.5 Monitoring à distance
4.6 Programmation de l’automate
4.6.1 Les premiers essais de programmation
4.6.2 Description du programme
4.6.3 Test de fonctionnement du programme
4.6.4 Configuration du module de communication
4.7 Le nouveau manuel d’utilisation de la turbine 1
5 Propositions d’appareils pour la mesure du débit
6 Propositions pour des améliorations futures
7 Conclusion

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