Les simulateurs numériques des centrales hydroélectriques

Intérêts du simulateur numérique

La simulation numérique est un moyen performant d’analyse et de compréhension des phénomènes physiques. Cette méthode prend une part de plus en plus importante en recherche appliquée. En effet, pour décrire correctement le comportement d’un système, il devient nécessaire de faire appel aux modèles numériques de ses différentes composantes. La simulation numérique permet d’orienter le choix des approximations dans les approches analytiques et d’obtenir des résultats directement comparables à ceux de l’expérience. Il s’agit ici d’un apport de la simulation à la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. Une fois cette compréhension établie, la simulation complète du système apporte une aide déterminante à la conception de nouveaux dispositifs et à la prévision des comportements possibles du système en fonction des variations de ses paramètres. Dans l’optique d’apporter ces atouts majeurs au projet du simulateur, ce travail est orienté sur le thème: «Modélisation et implémentation numérique du simulateur analogique de la centrale Hydro Québec ».

Plusieurs logiciels dont SIMSEN, Power Systems, Labviews, LV TRANS, SDYN etc. sont utilisés pour la simulation des systèmes électriques. Ces derniers peuvent donc être utilisés dans le cas du simulateur analogique de la centrale Hydro-Québec. Ces logiciels présentent des blocs mis ensemble. Les équations et la procédure de modélisation sont un mystère pour les utilisateurs. Cependant, il faut noter que le simulateur est avant tout un outil pédagogique. L’objectif de ce travail est de mettre à la disposition des apprenants, un outil de recherche, d’apprentissage, à usage facile et à grande portée. Il permettra d’ éviter les pertes de temps qu’exigent l’apprentissage d’un logiciel nouveau, mais d ‘exploiter un logiciel rependu dans les milieux étudiants qu’est Matlab /Simulink.

Par ailleurs, il faut donner la possibilité aux utilisateurs de modifier les données et les paramètres des modèles. Ce qui est un atout important pour l’amélioration des performances du simulateur analogique et l’ optimisation des différents régulateurs.

Production de l’énergie hydroélectrique

Structure d’une centrale hydraulique

Toute centrale hydroélectrique fonctionne à partir de l’énergie hydraulique due à la dénivellation. Elle nécessite un cours d’eau ou une retenue d’eau. La centrale se compose d’un réservoir, d’une chute d’eau caractérisée par sa hauteur. L’énergie hydraulique est convertie en électricité par le passage de l ‘eau dans une turbine reliée à un alternateur. La puissance de la centrale dépend de la hauteur de chute et du débit d’eau. Certaines centrales fonctionnent en exploitant l’énergie fournie par les marées ou par les vagues. Leur nombre reste toutefois très limité. Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers de watts pour une minicentrale individuelle (destinée à alimenter une seule habitation) à des milliers de MW ( mégawatts ) pour un barrage de grande importance. Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent.

Elles peuvent tenir compte de la hauteur, de la puissance fournie, du mode de production, ou du type de turbine. Les types de turbines rendent spécifiques les centrales. Cette spécificité est vérifiée dans la méthode utilisée lors de la conversion de l’énergie hydraulique en énergie mécanique.

Fonctionnement du simulateur

En résumé, le simulateur comporte un réservoir d’une capacité d’environ 4.262 m3, devant faire fonctionner la turbine pour au moins une minute. Ce réservoir alimente la turbine en eau via la conduite forcée et la bâche spirale. Le diamètre de la conduite forcée est de 0.254 pour un débit de 0.06 m3/s. L’alternateur synchrone d’environ 3.7 KVA reçoit de la chute une puissance estimée à 2937 W pour la transformer en puissance électrique. L’aspirateur permet d’amortir la puissance de l’eau avant son entrée dans le bassin aval. Le régulateur de vitesse associé au mécanisme de vannage permet de maintenir la vitesse de l’alternateur à une valeur de 720tr/min.

Le système d’excitation et son régulateur de tension permettent de maintenir constante la tension à la sortie du générateur à une valeur de 600 V. Dans le cas du simulateur, compte tenu des conditions de fonctionnement, il n’a pas été jugé utile d’installer le grillage et la vanne poutrelle. Le pertuis de la prise d’eau et son reniflard permettent d’éviter les bulles d’air dans la turbine pouvant causer le phénomène de cavitation ou de coup de bélier. Une étude de similarité a été faite avec la centrale Robert Bourassa II. Deux éléments essentiels sont disposés dans le bassin amont: le nid d’abeille qui permet d’atténuer les turbulences provoquées par l’arrivée de l’eau et le dispositif anti vague. L’opérateur aura le choix entre le fonctionnement à boucle ouverte utilisant le réservoir amont, ou le fonctionnement à boucle fermée en permettant une circulation continue de l ‘eau dans le circuit.

Propriétés des fluides

Les caractéristiques de l’eau circulant dans la conduite forcée sont des éléments importants dans les modèles numériques des centrales. Ce sont :

La compressibilité
Un fluide est compressible si les changements de densité influencent considérablement sur les équations régissant son comportement. Le nombre de Mach (Ma) permet de déterminer la compressibilité du fluide. Pour Ma<0.3, le fluide est incompressible. Dans ce cas, la masse volumique de l ‘eau (p en Kg/m3) est constante dans les équations. C’est le cas de l’eau. Pour des circuits hydrauliques comportant des conduites forcées de petites longueurs, cette hypothèse est très valable. Il y’a en effet une très faible probabilité de changement de la masse volumique d’eau entre l’entrée et la sortie de la conduite forcée.

La viscosité
Un fluide est dit visqueux lorsque les frottements du fluide ont des effets significatifs sur les solutions des équations de ce dernier. Dans ce cas, de façon pratique, la vitesse n ‘est pas constante en tout point de l’ écoulement. La température influence considérablement la viscosité du fluide.

Modélisation de la conduite forcée

La mise en œuvre du modèle de la conduite forcée est réalisée de façon graduelle. Dans un premier temps, le modèle d’une section de conduite forcée est présenté. Les résultats de simulation sont superposés au modèle non linéaire électrique du document .

Par la suite, le modèle est subdivisé en plusieurs sections et les résultats sont de nouveau superposés au modèle de référence. Ce qui permet de valider la conformité du modèle proposé dans ce document avec la littérature qui stipule que, le résultat est meilleur lorsque la conduite est divisée en plusieurs morceaux.
Enfin deux conduites forcées de diamètres différentes sont mises ensemble afin de démontrer la faisabilité d’un circuit de morphologie complexe. Le modèle de référence pour la validation croisé reste celui du document .

Table des matières

CHAPITRE 1 Introduction générale
1.1 Contexte socio-économique
1.2 Contexte socio-éducatif
1.3 Intérêts du simulateur numérique
1.4 Objectifs spécifiques, méthodologie et organisation du document
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 Présentation du simulateur analogique, similarités avec les centrales hydroélectriques réelles
2.1 Production de l ‘énergie hydroélectrique
2.1 .1 Structure d’une centrale hydraulique
2.1 .2 Les types de turbine
2.1.2.1 La turbine Kaplan
2.1.2.2 La turbine Pelton
2.1. 2.3 La turbine Francis
2.2 Processus de conception du simulateur analogique
2.3 Différentes parties et rôle des éléments du simulateur analogique
2.3.1 Le circuit hydraulique
2.3.1 .1 Les réservoirs
2.3.1.2 Les conduites
2.3.1.3 La bâche spirale
2.3.1.4 La roue et l’aspirateur
2.3.2 Le circuit électrique
2.3.3 Le circuit de contrôle
2.3.3.1 L’ excitatrice et son régulateur de tension
2.3.3.2 Le régulateur de vitesse
2.4 Fonctionnement du simulateur
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 Les simulateurs numériques des centrales hydroélectriques
3.1 Les modèles dynamiques
3.2 Hypothèses de modélisations
3.2.1 Propriétés des fluides
3.2.1.1 La compressibilité
3.2.1.2 La viscosité
3.2.2 Éléments caractéristiques de la conduite forcée
3.2.2.1 Constante de temps de l’eau
3.2.2.2 Les pertes de charge dans une conduite forcée
3.2.2.3 Constante d’élasticité de la conduite forcée
3.2.2.4 Impédance de la conduite forcée
3.2.3 Les éléments caractéristiques d’une chambre d’équilibre
3.2.3.1 La période naturelle de la chambre d’équilibre
3.2.3.2 Constante de stockage de la chambre d’ équilibre
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 Modélisation des différents sous-ensembles
4.1 Modélisation du circuit hydraulique
4.1 .1 Modélisation de la conduite forcée
4.1.2 Modélisation de la turbine
4.1 . 2.1 Les différents modèles de la turbine Francis
4.2 Modélisation du circuit électrique
4.2.1 Modèle de la génératrice synchrone
4.2.1 .1 Modèle de la génératrice sans charge
4.2.1 .2 Modèle de la charge
4.2.1.3 Représentation de la génératrice et de la charge
4.2.1.4 Prise en compte de la saturation
4.2.1.5 Simulation du modèle de la génératrice et de la charge
4.3 Modélisation du circuit de contrôle
4.3.1 Modèle de l’excitatrice
4.3.1 .1 Présentation du système d ‘excitation
4.3.1 .2 Détermination des paramètres de la génératrice
i) Détermination des paramètres de simulation
ii) Simulation
ii) Détermination de la fonction de transfert liant la tension de champ v1 et la tension d’armature de la génératrice v1
4.3.2 Modélisation du régulateur de vitesse
4.3.2.1 Modèle du régulateur
i) Développement du modèle d’ état du régulateur mécanique
ii) Développement du modèle d ‘état du régulateur PID
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 Mise en commun des différents sous-ENSEMBLES: Modèle final
5.1 Structure finale du simulateur numérique
5.2 Données de simulation
5.2.1 Le circuit hydraulique
5.2.2 La génératrice et la charge
5.2.3 Le circuit de contrôle
5.3 Mode opératoire et attentes
5.3.1 Mode opératoire
5.3.2 Les attentes
5.3.3 Simulation
5.4 Conclusion
CHAPITRE 6 Conclusion Générale

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