THÉMATIQUE
Thématique générale
De nouvelles énergies renouvelables (NER) comme le solaire et l’éolien sont de plus en plus au goût du jour. Ces énergies produisent de manière intermittente. En effet, elles sont directement liées aux conditions météorologiques. Il faut, par exemple, suffisamment de vent pour produire de l’électricité avec une éolienne. De plus, l’énergie électrique est difficilement stockable à grande échelle. Les jours de grands vents ou de soleil intense, la production apparaît trop importante. On peut alors être confronté à un surplus ou à un manque d’énergie que l’hydroélectrique est capable de combler, contrairement aux productions de ruban. La mise en fonction d’une centrale hydroélectrique ne nécessite qu’un laps de temps relativement court (de l’ordre de 15 minutes), alors que les productions en ruban sont des systèmes qui produisent en continu et demande un temps élevé de démarrage et de mise hors service (de plusieurs heures à quelques jours).
De plus l’hydroélectrique, de par sa flexibilité, comparée aux NER, permet de faire du service système. Les NER ont pour conséquences un prix volatile de l’électricité, avec une moyenne basse. Il est donc primordial d’effectuer un contrôle optimal des équipements pour pouvoir rester concurrentiel et il est nécessaire d’optimiser la planification de production et d’exploiter les installations dans les plages de rendement maximum. La gestion d’installations hydroélectriques à plusieurs étages peut être complexe : Il faut synchroniser les débits de chaque étage pour déverser le minimum d’eau. L’eau étant la matière première du système, il faut éviter d’en perdre le plus possible. Si cette eau est utilisée comme eau potable ou dans le domaine agricole, il faut garder en tête de pouvoir garantir un approvisionnement des consommateurs, ce qui passe par la gestion de l’eau disponible dans les bassins. Il faut donc mettre en place des systèmes d’information et de communication pour arriver à atteindre ces buts.
Thématique chez Hydro-Exploitation SA
Hydro-Exploitation SA gère certaines installations qui se présentent sous forme étagée. On entend par étagée le fait que l’eau est turbinée plusieurs fois à la suite, sur une distance de quelques centaines de mètres. On peut alors assimiler ces équipements à du fil de l’eau, car les aménagements inférieurs dépendent de ceux situés en amont. Nous nous concentrons sur des installations avec des conduites forcées entre les divers bassins. Cependant, on parle aussi d’installations étagées sur des rivières, ou fleuves, comme le Rhône, qui sont distantes de plusieurs kilomètres. On remarque dès lors qu’il est commun de retrouver ce genre d’équipements dans notre région et qu’Hydro-Exploitation SA est appelé à en gérer plus d’une. C’est essentiellement la configuration du terrain qui privilégie une installation étagée, mais des contraintes mécaniques favorisent aussi celles-ci au contraire d’une seule grosse centrale en aval.
Un des travaux d’Hydro-Exploitation SA est de planifier sa production. La vue sur la planification est limitée dans le temps avec notamment les prévisions météo et le prix de l’électricité sur le marché. Cette entreprise a la chance d’avoir directement le contrôle de ces aménagements, sans les contraintes engendrées par une société les commandant à distance. Le but pour l’entreprise est d’exploiter au mieux ces centrales de production, au meilleur rendement, avec le moins de pertes d’eau possible, pour maximiser les revenus financiers.
CONCLUSION
La modélisation d’une chambre de mise en charge a été effectuée, son comportement est cohérent avec les attentes. La variation du niveau d’eau est différente selon la hauteur de remplissage de la chambre. Celle-ci est représentée en fonction d’un apport d’eau constant. Un modèle d’actionneur (vanne proportionnelle et piston) a été réalisé. L’ensemble des équations est exposé dans ce travail. Le fonctionnement de ce dernier est validé en comparaison avec un modèle utilisé par Hydro-Exploitation SA. Le temps d’ouverture limite du pointeau, avec une consigne sous forme de rampe, est respecté.
La régulation de position du pointeau a été effectuée. Le déplacement de ce dernier dépend de la tension appliquée aux bornes de la vanne proportionnelle. La position varie en fonction du débit dans la conduite forcée pour atteindre une valeur de consigne fixée par le régulateur de niveau. Le régulateur ne comporte qu’un gain proportionnel, son dimensionnement est fait par comparaison avec un filtre objectif. La régulation de niveau de la chambre de mise en charge d’un étage a été réalisée. La consigne de débit (sortie du régulateur) varie en fonction de la différence entre la hauteur réelle du bassin et la valeur de consigne. Un régulateur PID permet d’éviter un over-shoot comparativement à un PI. Le dimensionnement du régulateur par comparaison avec un filtre objectif, permet de trouver les différents gains du régulateur. Un anti-windup est ajouté afin de limiter l’intégration et éviter un retard d’ouverture ou de fermeture du pointeau.
La cascade de plusieurs étages (2 puis 3) ne nécessite pas de communication entre les différents niveaux afin d’éviter le déversement d’eau ou le dénoyage des chambres de mise en charge. La puissance maximale, variant selon le débit et la hauteur de chute, est atteinte après 56 secondes en ouvrant les pointeaux les uns après les autres. Il est possible de légèrement réduire ce temps à 44 secondes, en ouvrant les pointeaux en même temps. Ce dernier cas n’implique pas de dénoyage des chambres de mise en charge. Une suite de ce projet pourrait être d’étudier la possibilité de faire du service système avec une telle installation. En prenant en compte les rendements en fonction du débit et les différentes contraintes liée aux réglages primaire, secondaire et tertiaire du réseau.
La production d’énergie électrique pourrait être étudiée, selon une planification prévue. La gestion d’eau dans les bassins devrait alors être prise en compte. Avec une participation au service système, le choix d’accepter ou non un déversement pourrait être différent, moyennant une rétribution de l’eau « perdue » .
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Table des matières
1 INTRODUCTION
2 THÉMATIQUE
2.1 Thématique générale
2.2 Thématique chez Hydro-Exploitation SA
3 MODÈLES SIMPLES
3.1 Modèle de conduite
3.2 Modèle de pointeau
3.3 Représentation graphique des modèles
3.3.1 Section du jet
3.3.2 Pertes de charge
4 AMÉLIORATION DES MODÈLES
4.1 Bassin
4.1.1 Parallélépipède rectangle
4.1.2 Pyramide tronquée à base rectangulaire
4.1.3 Cône tronqué
4.2 Chambre de mise en charge
4.3 Actionneur/Pointeau
4.3.1 Fonctionnement
4.3.2 Modèle de la vanne proportionnelle
4.3.3 Modèle du piston
5 ÉTAGE
5.1 Système « position »
5.1.1 Régulation
5.1.2 Résultats
5.1.3 Variations des caractéristique de l’actionneur
5.2 Système « niveau »
5.2.1 Détermination du système
5.2.2 Régulation gain constant, critère symétrique
5.2.3 Résultat pour gain constant selon critère symétrique, régulateur PI
5.2.4 Régulation gain constant, filtre objectif
5.2.5 Résultat pour gain constant selon filtre objectif, régulateur PID
6 CASCADE
6.1 Résultats d’une cascade de 2 étages
6.2 Cascade de 3 étages
7 PUISSANCE DE L’INSTALLATION ÉTAGÉE
8 CONCLUSION
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