Tous les pays possédant de bonnes ressources hydrauliques s'intéressent aux minicentrales hydro-électriques pour remplacer les centrales thermiques et les groupes électrogènes devenus trop onéreux.
Les minicentrales permettent de produire de l'énergie en petites puissances à un prix compétitif, sans nuire à l'environnement. Bien adaptées à l'électrification des zones rurales et excentrées, elles complètent efficacement les grands aménagements hydro-électriques. Les groupes de production sont simples et robustes ; ils nécessitent une maintenance réduite, une gestion simplifiée, peu de personnel de conduite. Une installation est généralement amortie en moins de dix ans et sa durée de vie dépasse l'espérance de vie humaine.
Une bonne illustration de ces réalisations est donnée par l'exemple des neuf installations de cette nature qui ont été récemment réalisées sur le cours inférieur du Var et que nous détaillerons dans le présent article, en mettant l'accent sur les dispositifs d'automatisation et de régulation dont elles sont équipées.
DES ÉQUIPEMENTS SIMPLES ET ROBUSTES
Une centrale hydraulique se compose d'une ou plusieurs turbines hydrauliques, d'un ou plusieurs alternateurs accouplés à la turbine et d'un poste d'émergence permettant le transfert de l'énergie vers le consommateur (figure 1).
Les turbines
Deux paramètres déterminent leur choix : le débit et la hauteur de chute. Pour une basse chute, un groupe Bulbe ou une turbine Kaplan conviennent. Pour une hauteur de chute moyenne, on choisira une turbine Francis. Pour une hauteur de chute élevée, on préfèrera une turbine Pelton.
Les alternateurs ou génératrices
Génératrices asynchrones
Robustes et simples, elles présentent l'inconvénient d'absorber une quantité d'énergie réactive importante. Leur utilisation est ainsi limitée aux minicentrales débitant sur une installation alimentée par un réseau de distribution de puissance assez élevée (au moins trois fois plus élevée que la puissance de la centrale). Les génératrices asynchrones ne peuvent donc convenir pour l'équipement de minicentrales appelées à alimenter des petits réseaux autonomes et à participer au réglage de la tension.
Génératrices synchrones ou alternateurs
Elles conviennent pour l'alimentation des petits réseaux autonomes. Il existe deux systèmes pour fournir la puissance d'excitation, relativement faible, nécessaire à l'alimentation de l'inducteur de ces alternateurs :
— le système classique, avec excitation à courant continu,— le système statique, à diodes tournantes, qui se généralise.
Le système d'excitation est complété par un régulateur électronique.
LA RÉGULATION DES MINICENTRALES
Lorsqu'une centrale autonome d'énergie électrique alimente un réseau d'utilisation isolé, il est nécessaire de prévoir dans l'installation un système de régulation qui stabilise les caractéristiques électriques du réseau (tension et fréquence). La puissance appelée par le réseau et la puissance fournie par la centrale peuvent varier l'une et l'autre. Il suffit qu'elles ne soient pas égales pour que la tension et la fréquence sur le réseau s'écartent de leur valeur nominale. Pour garder la fréquence stable, il y a lieu de maintenir en permanence
l'égalité : puissance active produite = puissance absorbée. Le choix de la régulation est déterminé par les caractéristiques du réseau.
On peut distinguer le couplage sur grand ou petit réseau.
Grand réseau
Par expérience, on peut dire qu’un réseau est grand à partir d'une puissance installée dépassant trois fois celle de la minicentrale.
Ce grand réseau doit être capable d’absorber toute la production de la minicentrale, que celle-ci soit constante ou non : c’est donc un réseau où la puissance installée est grande par rapport à celle qui est fournie. La régulation en tension et fréquence est alors assurée par d'autres sources électriques connectées sur ce réseau. Sur le plan de la régulation, ce cas est très simple, puisque le réseau absorbe toutes les variations de l’énergie fournie ; la minicentrale n’a donc pas à s’adapter à la demande en énergie, mais seulement aux disponibilités en eau de la rivière : un simple réglage de débit suffit.
Petit réseau
Dans le cas d'un couplage sur petit réseau, la minicentrale (dont la puissance comprise est entre 30 et 100 % de celle installée) doit s’adapter à la variation de la demande en énergie, les autres générateurs ne pouvant assurer seuls cette fonction.
L’AMÉNAGEMENT HYDRO-ÉLECTRIQUE DU VAR
Neuf minicentrales hydro-électriques distantes de 1 km sont installées sur le cours inférieur du Var (voir carte) en utilisant les chutes créées il y a quelques années pour régulariser son débit. Chaque seuil est équipé de trois groupes générateurs.
L’aménagement hydro-électrique des seuils 2 à 10 du Var produira ainsi en moyenne 116 millions de kWh par an avec une puissance installée de 23 800 kW, production qui représente environ 10 % des besoins en électricité de la ville de Nice et 5 % de ceux du département des Alpes-Maritimes.
Les groupes générateurs
Chaque groupe (figure 2) est constitué comme suit :
- — une turbine Neyrpic (écoulement axial, axe incliné). Les trois turbines sont à distributeur fixe, deux machines sont à pales orientables (bulbe), la troisième est à pales fixes (hélice) ;
- — une vanne aval disposée à la sortie de l’aspirateur de la turbine, manœuvrée par vérin hydraulique, se fermant par gravité en cas d’absence de courant.
— une génératrice asynchrone 750 tr/min, 5,5 kV avec axe incliné de 15° par rapport à la verticale, équipée d'une dynamo tachymétrique.
Des centrales entièrement automatisées
Le fonctionnement des neuf microcentrales est entièrement automatique. Des automates locaux assurent sur chaque site :
- — les séquences de démarrage-arrêt des groupes ;
- — l'observation d’une consigne amont assurant une exploitation « au fil de l'eau » avec optimisation du choix et du nombre de groupes en service ;
- — l'échange d’informations avec le poste de contrôle centralisé.
Poste central : véritable chef d’orchestre
L’équipement de contrôle centralisé, situé au seuil 2, assure :
- — la centralisation d'informations essentielles sur la marche des centrales (groupes en service, puissance, niveaux, incidents, etc.) au moyen de périphériques : clavier, écran de visualisation et imprimante ;
- — la possibilité de diagnostic de l'installation par l'opérateur à l'aide des journaux de bord ;
- — le suivi de l'évolution des paramètres hydro-électriques ;
- — la télécommande des arrêts et marches des groupes ;
- — l'optimisation pour l’étalement dans le temps des recouplages des groupes afin de satisfaire certaines contraintes d’exploitation imposées par E.D.F. ;
- — le renvoi d’alarmes essentielles sur réseau privé pour informer le personnel d’astreinte ou l’exploitant de l'état de fonctionnement de la centrale.
Une régulation autonome
Le système de régulation électronique comprend un capteur de pression, des appareils de mesure et de contrôle et un automate programmable, le capteur de pression traduisant les variations du niveau d’eau sous forme de signal à l'automate qui traite l'information reçue suivant le programme de régulation qui tient compte de toutes les caractéristiques de la minicentrale : débit d'eau, type de turbine, réactions du groupe. Après analyse des tendances des variations de hauteur d'eau dans la retenue, l’automate élabore les ordres de marche de la minicentrale : ordres d’ouverture et de fermeture de l’arrivée d’eau de la turbine. L'automate optimise ces ordres en tenant compte des
diverses constantes de temps du groupe utilisé, pour atteindre un régime stable.
Entièrement pilotées par automates programmables PB 400 Merlin-Gérin (figure 4), ces neuf minicentrales hydro-électriques illustrent parfaitement les possibilités de ces appareils qui permettent, tout en présentant une résistance exceptionnelle à l'environnement électrique, mécanique et thermique, d’assurer toutes les fonctions nécessaires à la télésurveillance, en laissant à l'exploitant une large initiative, à savoir :
— télémesure : l'automate situé dans la centrale est informé de toutes les mesures (courants, tensions, puissances, températures, pressions, niveaux...). Il transmet ces informations au poste de commande et de surveillance,
— télésignalisation : les informations recueillies sont consignées sur une imprimante. Différents organes de contrôle assurent la signalisation automatique de l'état du réseau et permettent au responsable du poste de surveillance de décider à tout moment de la marche à suivre,
— télécommande : l'automate du poste de surveillance donne à l'opérateur toutes les informations liées à l'exploitation. L’opérateur peut alors intervenir, suivant les nécessités du service, pour commander à distance les organes essentiels de la centrale (disjoncteur de groupe, vanne de pied, centrale à huile...),
— gestion centralisée : l'automate du poste de surveillance remplit aussi des fonctions de consignation, calcul de statistiques et gestion d’informations. Cette ressource supplémentaire accroît les capacités d’optimisation du fonctionnement de la centrale.
Pour conclure, on peut souligner en outre que l'automatisation des centrales constitue une solution économique, en garantissant une grande fiabilité des équipements, en réduisant les charges d’exploitation, en assurant une mise en service rapide des installations et cela avec un investissement modéré.
