CA1065401A - Soutirage en serie d'energie d'une ligne de transport htcc - Google Patents

Abstract

Système pour le soutirage et la transformation en puissance complexe de l'énergie électrique d'une ligne de transport à haute tension continue (HTCC), le système étant relié en série avec cette ligne de transport. Le système comporte des extracteurs-convertisseurs de la haute tension continue en puissance active sous forme alternative ainsi qu'un ensemble générateur de puissance réactive relié à la ligne de transport et qui alimente à la fois les extracteurs-convertisseurs et la charge branchée sur la sortie du système. De plus, il est prévu un dispositif de commande du taux d'extraction et de conversion de l'énergie HTCC en fonction de la puissance active fournie par l'ensemble générateur. Ce dispositif de commande assure l'alimentation en puissance active par les seuls extracteurs-converti seurs. A l'ensemble générateur est également associé un régulateur de tension qui a pour fonction de garder les tensions de sortie de cet ensemble générateur constantes, ce qui se traduit par une génération de puissance active nulle de la part de l'ensemble générateur. Le système de soutirage est soumis à une tension de valeur proportionnelle à l'énergie soutirée de la ligne de transport alors que l'enceinte métallique qui le contient est à la tension de la ligne HTCC.

Description

106S4~1 .
La présente invention a trait au soutirage de l'énergie véhiculée dans une ligne de transport à haute tension continue et la transformation de cette énergie en énergie a courant alternatif alimentant un réseau d'utilisation locale, et concerne plus parti-culierement un systeme capable d'extraire une quantité donnée d'énergie d'une ligne de transport a haute tension continue et de la transformer en puissance complexe, l'ensemble du systeme étant monté en série sur la ligne de transport a haute tension continue.
Par puissance complexe, on entend une puissance propor-tionnelle a la somme des puissance active et puissance réactive fournies a une charge électrique, en régime sinusoidal.
A notre connaissance, il n'existe présentement aucun mode de réalisation pratique de systemes pouvant servir de poste inter-médiaire, le long d'une ligne de transport a courant continu, pour l'extraction et la conversion de l'énergie véhiculée par cet-te ligne en puissance complexe directement utilisable par un appareillage fonctionnant sur courant alternatif.
La présente invention préconise donc un nouveau systeme qui peut etre monté en série sur la ligne de transport d'énergie a haute tension continue, et qui permet le soutirage d'une faible ou d'une forte portion de cette énergie et sa conversion en ten-sion alternative pour utilisation locale, les éléments constituant ce systeme etant alors a une tension proportionnelle a la puissan-ce soutiree de la ligne de transport.
Suivant la présente invention, le systeme préconise est caractérisé en ce qu'il est branché en série avec la ligne de transport et comporte des moyens d'extraction et de conversion de l'énergie véhiculée par cette ligne en puissance réelle; des moyens générateurs de puissance réactive alimentés par ladite ligne de transport et délivrant la puissance réactive demandée par lesdits moyens d'extraction et de conversion ainsi que par la ~06S40i charge électrique branchée aux bornes de sortie du systeme; et des moyens de commande reliés auxdits moyens d'extraction et de conversion et auxdits moyens génerateurs pour assurer la fourni-ture de ladite puissance reelle par les seuls dits moyens d'ex-traction et de conversion.
Un mode de realisation prefere de la pr~sente invention sera décrit ci-après avec reference aux dessins annexes, dans les~uels: .
la figure 1 illustre un système de soutirage monté en série sur une ligne de transport d'énergie à haute tension conti-nue; et la figure 2 illustre schématiquement un ensemble de commande des ponts de conversion employés dans le système de la figure 1.
Se referant à la figure 1, l'ensemble du système de soutirage est contenu dans une enceinte metallique 1 qui est main-tenue à la tension de la ligne de transport à haute tension conti-nue L au moyen du conducteur electrique 6. Le système de soutira-ge est branche directement en série sur la ligne de transport L à
l'aide des connecteurs 2 et 3 alors que le raccordement de la sortie, fournissant la tension alternative, se fait via les con-necteurs 4 et 5, le connecteur 4 assurant la mise à la terre. En consequence, il est à noter que l'installation de ce système de soutirage est relativement simple et peu complexe et peut être effectuee en un temps relativement court.
Mentionnons que les disjoncteurs DA, Ds et DC permettent, selon qu'ils soient ouverts ou fermes, d'alimenter directement le systeme de soutirage ou encore de le court-circuiter, ce qui assurc une continuite de fourniture d'energie haute tension continue le long de la ligne de transport lorsqu'un ou plusieurs systèmes de soutirage montes en serie sur cette ligne ne sont pas utili-ses.

-`-" 1065401 Le système lui-même peut être divisé en deux ensembles operationnels: le premier ayant pour but d'extraire de l'énergie de la ligne de transport L et de la convertir en tension alterna-tive, le second comportant des éléments de géneration de la puissance reactive necessaire au bon fonctionnement du système.
Les convertisseurs Cl et C2, montes en série, ont pour fonction d'extraire une fraction ou la totalite de l'energie ve-hiculee par la ligne de transport a haute tension continue et de la transformer en puissance active. Ces convertisseurs sont de fait des ponts de conversion conventionnels, de type Graetz, qui opèrent en inverseurs et qui sont constitues soit de thyristors ou de lampes-a-arc au mercure. Un agencement de ces ponts de conversion Cl et C2 est decrit, par exemple, dans la publication "Control Systems for H.V.D.C. Transmission" par J.P. Bowles, CEA, Mars 1971. Les tensions triphasées A, B, C produites à la sortie de chacun de ces ponts alimentent respectivement les enroulements en étoile Bl et en delta B2 du transformateur T, qui sert de circuit de couplage, dont l'enroulement secondaire B4, en étoile ou en delta, fournit la puissance complexe utile.
En plus de la puissance active fournie à la charge bran-chee sur la sortie du système, il faut fournir egalement de la puissance reactive, laquelle est generee par la generatrice G dont les tensions triphasees de sortie A', B', C' alimentent les en- ~-roulements B3 montes soit en etoile, soit en delta, du transfor-mateur T. La generatrice G est entraînee mecaniquement par un moteur à courant continu M, de type à traction conventionnel; ce moteur M est monte en serie sur la ligne de transport L. En regime permanent, le moteur M fonctionne à une vitesse constante de 50 à 60 Hz, et cette vitesse est ajustee de facon très precise à l'aide d'une excitatrice E reliee à un circuit de commande de vitesse CV. Les bobines de champ L3, L4 et L5 assurent la cons-tance de la vitesse du moteur M, independamment de l'intensite -- lO~iS401 du courant continu circulant da~s la ligne de transport. En outre, il est prévu de régulariser les tensions de sortie de la génératrice G a l'aide d'un régulateur automatique de tension AVR
pour garder ces tensions constantes, ce qui se traduit par une generation de puissance active nulle de la genératrice.
En plus de fournir la puissance réactive demandée par la charge de sortie et les ponts de conversion Cl et C2, la généra-trice G est utilisée pour commander l'angle d'amorcage des élé-ments constituant chacun de ces ponts de conversion, ce a~in de contrôler avec précision le degré d'extraction de puissance de la ligne de transport L en fonction de celle requise par la charge de sortie. Cette commande s'effectue a l'aide du circuit de com-mande CP dont les entrées X, Y et Z sont reliées, d'une part, aux capteurs de courant et de tension Ll et L2, respectivement, four-nissant une mesure de la puissance active de sortie de la généra-trice, et, d'autre part, à un capteur S qui fournit une mesure de la vitesse de rotation de la génératrice. Par ce moyen, toute augmentation ou diminution de demande de puissance active par la charge se traduit par une variation proportionnelle de l'angle d'amorcage des ponts de conversion Cl et C2 via le circuit de commande CP. Ce circuit de commande CP est illustré a la figure 2 et sera décrit plus loin.
Il est important de noter ici que le systeme de soutirage fonctionne de façon tout-a-fait adéquate même si un seul pont de conversion, soit Cl, soit C2, est utilisé. Le présent mode de réalisation préconise l'utilisation de deux ponts de conversion dans le seul but de diminuer de fa~on sensible les harmoniques genérees par ceux-ci, les sorties des ponts etant monté~sen delta et en etoile sur le transformateur T. En tout etat de cause, un filtre F est prevu a la sortie de la generatrice G pour eliminer les harmoniques engendrees par les convertisseurs utilises.
En ce qul concerne la generatrice G, il est a preciser . .

106540J.
.

que celle-ci n'est employée que pour fournir les volts-amp8res réactifs requis par la charge de sortie et les convertisseurs, et non de la puissance active. Si, par exemple, davantage de puis-sance active était requise, comme suite à une demande accrue de la part de la charge de sortie, un ajustement de l'angle d'amor-çage des convertisseurs serait aussitôt effectué par le circuit de commande CP a travers les capteurs Ll, L2 et S,de sorte à ce que ce soient les convertisseurs seuls qui fournissent la puissance ac-tive requise, réduisant ainsi a zéro la puissance active de sor-tie de la génératrice G.
Il est a noter que tous les éléments constituant le sys-teme de soutirage sont sous une tension qui est proportionnelle a la puissance soutirée de la ligne de transport a courant conti- -nu. Seul l'enroulement B4 au secondaire du transformateur T est mis a la terre, et un écran isolant I sert a protéger l'enroule-ment B4 de sortie des perturbations impulsionnelles arrivant de la ligne a courant continu.
Le systeme de soutirage décrit ci-haut permettrait de soutirer une énergie d'environ 7 MW d'une ligne de transport d'énergie haute tension continue de l'ordre de 500 kV o~ circule un courant d'environ 500 A. Dans ce cas, la chute de potentiel a travers les convertisseurs C1 et C2 sont de l'ordre de 14 kV, soit 7 kV pour chacun des ponts de conversion. Ce qui signifie que cet appareillage fonctionne a une tension relativement basse, ne requérant que l'utilisation de six thyristors en s~rie par con-vertisseur. La puissance réactive générée par la génératrice G
est de l'ordre de 3 a 4 Mvars lorsque celle-ci possede un enrou-lement opérant a 4 kV, soit approximativement la moitié de la tension soutirée par chacun des convertisseurs. D'autre part, le moteur de traction a courant continu M possede, en régime normal, une puissance de l'ordre de 10% de celle du systeme, pour de bon-nes conditions d'accéleration, ce qui represente une puissance 106S40~
d'environ 0.4 MW ~ 500 A, soit une chute de potentiel d'environ 800 V à travers le moteur. Dans ces conditions, la puissance de sortie du système de soutirage se chiffre à environ 7 MW.
Pour mettre le système de soutirage en service, il suffit de fermer d'abord les disjoncteurs Ds et DC, puis d'ouvrir le dis-joncteur DA qui court-circuite le système. ~e courant de la ligne de transport circule alors dans le poste de soutirage qui, au début, apparaît comme un court-circuit. Le motaur~M accélère jusqu'à sa vitesse de régime (50 à 60 Hz) et est maintenu à cette vitesse par l'excitatrice E munie du circuit de commande de vites-se CV. Lorsque le moteur M et la génératrice G qu'il entraîne ont atteint leur vitesse synchrone, les disjoncteurs DD et DE s'ou-vrent automatiquement. Le circuit de mesure de la puissance ac-tive branché sur la sortie de la génératrice G la réduit à zéro par un ajustement approprié de l'angle d'amorçage des ponts de conversion. Les disjoncteurs DD et DE étant ouverts, le courant continu de la ligne traverse les convertisseurs Cl et C2 qui fournissent alors toute la puissance active requise par la charge d'utilisation alors que la génératrice fournit la puissance réac- .
tive demandée par les ponts et cette charge. Comme mentionné
plus haut, le systeme répond automatiquement aux variations de charge du centre de consommation locale.
La figure 2 représente schématiquement un mode de réali-sation du circuit de commande CP de la figure 1, pour la commande et le contrôle de l'angle d'amorcage des convertisseurs utilisés dans chacun des ponts de conversion Cl et C2. Dans ce circuit, les valeurs X et Y fournies par les capteurs Ll et L2 alimentent un circuit de mesure de puissance 7, tel un wattmètre, qui fournit à sa sortie une mesure de la puissance active débitée par la géné-ratrice. La valeur de cette puissance est intégr~e à traversl'intégrateur 8 qui comporte un nombre N de sorties, ce nombre correspondant au nombre d'éléments de conversion utilisés pour l'ensemble des ponts de conversion Cl et C2, Dans le cas o~ cha-cun des ponts de conversion utilise six éléments, l'intégrateur 8 aura douze sorties, soit un ensemble de six sorties pour chacun des ponts. Les signaux apparaissant sur les six sorties de l'ensemble sont alors déphasés entre eux d'un angle de 30. D'au-tre part, un tachymètre 10 mesure la vitesse de rotation Z de l'arbre reliant mécaniquement le moteur M a la generatrice G, et le résultat de cette mesure alimente un générateur de dents de scie 11 qui comporte un nombre de sorties égal a celles de l'in-tégrateur 8 et dont les signaux sont également déphasés de 30.Les sorties de l'intégrateur 8 et du générateur 11 sont ensuite comparées, de façon correspondante, a l'aide du comparateur 9 qui émet, selon le cas, sur chacune de ses N sorties, une impulsion representative d'un ecart entre la valeur du signal émis par le générateur 11 et par l'intégrateur 8, pour une sortie donnée.
Cette impulsion émanant du comparateur 9 sert a corriger l'angle d'amorçage d'un élément particulier constituant les ponts de conversion Cl et C2, afin de varier suivant la demande de la charge le taux de conversion de l'énergie CC en énergie CA. Grace au circuit de la figure 2, l'angle d'amorçage de chaque élément de conversion est ajusté de façon automatique en fonction de la demande de puissance active de la charge de sortie du systeme.
Il est a noter que le mode de realisation décrit ci-haut ne comporte que des composantes déja existantes sur le marché, donc de caractéristiques connues, ce qui a pour effet d'en dimi-nuer d'autant le coût de fabrication et d'assemblage. De plus, grâce a l'écran isolant I, l'isolation entre la sortie B4 du transformateur T et les autres enroulements est amélioree de façon sensible, ce qui a pour résultat de minimiser les effets causés par les perturbations, telles les fautes de cornmutation, ou la foudre frappant la ligne de transport, sur la sortie du systame .

. ~
Il est aussi a remarquer que toute la puissance réactive du systeme est fourni par un ensemble synchrone, le moteur M et la generatrice G, entièrement alimenté par le réseau principal et intégré au systeme, de sorte qu'aucun apport auxiliaire ou extérieur d'énergie n'est n~cessaire pour en assurer le bon fonc-tionnement.
Des modifications peuvent être apportées au mode de réa-lisation ci-haut indiqué sans pour autant sortir du câdre de la pr~sente invention, comme par exemple l'addition de ventilateurs pour l'évacuation de la chaleur générée par l'ensemble moteur-génératrice et les ponts de conversion.

Claims (13)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Système de soutirage et de transformation d'énergie électrique d'une ligne de transport à haute tension continue pour l'alimentation d'une charge en puissance complexe, ledit système étant relié en série avec ladite ligne de transport et compor-tant:
des moyens d'extraction et de conversion de la haute tension continue en puissance active sous forme de tension alter-native;
des moyens générateurs de puissance réactive, reliés a ladite ligne de transport, pour alimenter lesdits moyens d'ex-traction et de conversion et ladite charge en puissance réactive;
et des moyens de commande reliés auxdits moyens d'extraction et de conversion ainsi qu'auxdits moyens générateurs pour assurer une alimentation, en ladite puissance active, de ladite charge par les seuls dits moyens d'extraction et de conversion.

2. Système de soutirage selon la revendication 1, ca-ractérisé en ce que lesdits moyens d'extraction et de conversion comportent au moins un pont inverseur et un circuit de couplage qui relie entre eux ledit au moins un pont inverseur, lesdits moyens générateurs et ladite charge.

3. Système de soutirage selon la revendication 2, com-portant deux ponts inverseurs reliés en série, ces ponts étant connectés respectivement audit circuit de couplage à l'aide d'un enroulement en delta et d'un enroulement en étoile, alors que lesdits moyens générateurs de puissance sont reliés au circuit de couplage par un enroulement soit en étoile, soit en delta.

4. Système de soutirage selon la revendication 3, ca-ractérisé en ce que le circuit de couplage comporte un enroule-ment secondaire relié à la charge de sortie, et que cet enroule-ment secondaire est isolé électriquement au moyen d'un écran d'isolation à courant continu, une des bornes de l'enroulement secondaire et l'écran étant mis à la terre.

5. Système de soutirage selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit circuit de couplage est un trans-formateur.

6. Système de soutirage selon la revendication 1, carac-térisé en ce que lesdits moyens générateurs de puissance réactive comprennent un ensemble moteur-génératrice.

7. Système de soutirage selon la revendication 6, carac-térisé en ce que ledit moteur de l'ensemble est un moteur à cou-rant continu tournant à vitesse constante et monté en série avec ladite ligne de transport à courant continu, une unité excitatrice reliée à un circuit de commande assurant la rotation du moteur à
ladite vitesse constante.

8. Système de soutirage selon la revendication 6, ca-ractérisé en ce que la génératrice dudit ensemble comporte un circuit régulateur de tension automatique pour maintenir nulle la puissance active normalement générée par la génératrice.

9. Système de soutirage selon la revendication 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que un circuit de filtration d'harmoniques générées par lesdits moyens d'extraction et de conversion est branché sur la sortie de ladite génératrice.

10. Système de soutirage selon la revendication 1, ca-ractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de puissance réac-tive comportent un ensemble moteur-génératrice à vitesse cons-tante et en ce que lesdits moyens de commande comportent un circuit comparateur de signaux représentatifs de la vitesse de rotation dudit ensemble moteur-génératrice et de signaux repré-sentatifs de la puissance délivrée par la génératrice, ledit circuit comparateur émettant des impulsions pour la commande sélective de chaque élément constituant lesdits moyens d'extrac-tion et de conversion.

11. Système de soutirage selon la revendication 10, caractérisé en ce que un circuit de mesure de la puissance de sortie de la génératrice est relié à un circuit intégrateur pour alimenter ledit circuit comparateur en lesdits signaux représen-tatifs de ladite puissance.

12. Système de soutirage selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que un dispositif tachymétrique mesure la vitesse de rotation de l'ensemble moteur-génératrice et est relie à un circuit générateur de dents de scie pour l'alimentation dudit circuit comparateur en signaux représentatifs de ladite vitesse de rotation.

13. Système de soutirage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système est contenu dans une enceinte métallique, cette enceinte étant maintenue à la haute tension continue de ladite ligne de transport.