Mises à niveau des systèmes d'excitation : faites le bon choix!

Des installations vieillissantes

Nombre d’installations de production d’électricité au Canada ayant plus de 30 ans, la remise à neuf et le remplacement des équipements vieillissants sont désormais inévitables pour maintenir une production fiable. En effet, les pièces de rechange sont souvent plus difficiles à trouver et le personnel qualifié pour entretenir l’équipement existant se fait rare.

Heureusement, les projets de remise en état peuvent souvent être associés à une augmentation de la production ou à la modernisation des installations, synonyme de sécurité ou de flexibilité accrue, aidant ainsi à justifier l’investissement. Dans le cas des systèmes d’excitation, la technologie moderne offre des algorithmes de contrôle avancés, qui réduisent les interventions manuelles sur les points de consignes et l’échange de puissance réactive et qui améliorent également les capacités de supervision des équipements. Lorsqu’utilisée correctement, cette surveillance peut aider à prévoir les pannes et à mettre en place des stratégies de maintenance prédictive.

Cependant, il n’existe pas de solution universelle, puisque les systèmes d’excitation sont des combinaisons complexes de différents composants électriques qui alimentent l’enroulement de champ de l’alternateur. Ainsi, les choix que vous ferez au moment de planifier la mise à niveau de votre système d’excitation auront des répercussions non seulement sur les coûts directs, mais également le temps d’arrêt, la performance et la fiabilité du système, ainsi que sur les exigences d’entretien futures. Afin de bien évaluer les différentes possibilités, il faut d’abord comprendre les grandes différences entre les configurations d’excitatrices les plus courantes.

Excitatrices statiques : performances optimales, coûts élevés

Les excitatrices statiques portent ce nom parce que l’ensemble est à l’extérieur de la génératrice et que tous les composants sont donc fixes. Cette configuration offre une excellent performance en régime transitoire de même qu’en régime permanent, mais elle est souvent la solution la plus coûteuse. En outre, elle nécessite un grand espace dans la centrale, en raison de la taille de l’équipement, incluant l’électronique de puissance et des disjoncteurs, mais aussi un transformateur d’excitation, qui doit être connecté aux bornes de l’alternateur pour obtenir la puissance requise par le système d’excitation.

Cette configuration demande relativement peu d’entretien, puisqu’elle ne comprend aucune pièce mobile. Un circuit d’amorçage pour assurer le développement de la tension au démarrage est toutefois nécessaire au cas où le magnétisme résiduel ne suffirait pas.

Excitatrices rotatives : design compact, coûts moindres

Les excitatrices rotatives sont la deuxième option. On les appelle ainsi principalement parce qu’une partie du système d’excitation est montée sur l’arbre de la génératrice. En ce sens, une génératrice auxiliaire est utilisée pour fournir le courant d’excitation principal à l’alternateur. Dans cette configuration, le régulateur de tension (AVR) agit sur le courant d’excitation de la génératrice auxiliaire pour contrôler efficacement le courant d’excitation principal puis la tension de l’alternateur. Cette excitatrice auxiliaire ajoute une constante de temps qui réduit le temps de réponse de l’AVR comparativement à une excitatrice statique, mais occupe beaucoup moins d’espace. Dans certains cas, il suffit de remplacer le contrôleur de l’AVR par un équivalent moderne pour accroitre significativement la fiabilité du système, en supposant qu’il est possible de confirmer que les autres composants sont en bon état et qu’ils peuvent être l’objet d’un entretien approprié dans les années à venir.

Plusieurs variantes de la configuration de l’excitatrice rotative sont utilisées selon la source de la puissance d’excitation, soit une source de courant continu, comme une excitatrice pilote (une autre petite génératrice à courant continu montée sur l’arbre) ou un banc de batteries, soit une source de courant alternatif, comme un transformateur d’excitation (EPPT) ou même un groupe moteur-génératrice externe. Des excitatrices sans balais (brushless) sont également disponibles et réduisent significativement les besoins d’entretien.

Or, toutes ces options présentent des avantages et des inconvénients sur les plans de la fiabilité, de la performance et des coûts. Par exemple, l’utilisation d’une source d’alimentation externe, indépendante de la tension de sortie de la génératrice, permettra de fournir un courant de défaut important et soutenu pour assurer un maintien approprié de la tension et une coordination de la protection adéquate, ce qui est particulièrement important sur les réseaux autonomes ou éloignés (faibles).

Faire le bon choix

Ce billet de blogue donne un aperçu des types et des configurations d’excitatrices qui peuvent être envisagés lors d’une mise à niveau partielle ou complète, ainsi que de leurs caractéristiques principales. Bien qu’une option puisse sembler plus attrayante à première vue, il est essentiel que les producteurs définissent adéquatement leurs besoins en tenant compte des exigences opérationnelles et de tous les règlements et normes applicables. Ils doivent ensuite procéder à une évaluation minutieuse et exhaustive des options possibles afin de prendre une décision éclairée et fondée sur des critères préalablement définis. Surtout, il faut se rappeler que des changements de configuration peuvent avoir des effets indésirables, comme la perturbation de l’équilibre de la roue hydraulique par exemple, lorsque mal planifiés.

Enfin, les propriétaires doivent recourir aux bons outils pour modéliser différents composants du système et procéder à des simulations, et ce, dès l’étude préliminaire afin d’éviter des surprises pouvant être couteuses en fin de projet. Alors qu’elles étaient autrefois facultatives et accessoires, ces simulations deviennent de plus en plus la norme pour assurer la conformité aux exigences de performance des utilités et aux normes pertinentes (celles de la NERC, par exemple). D’ailleurs, il est important de mentionner que la portée des essais de performance exigés suite à une mise à niveau aura tendance à varier selon l’étendue des travaux effectués.

L’équipe de BBA possède de l’expérience dans ce domaine et a d’ailleurs conçu des interfaces logiciels flexibles pour optimiser la réalisation des essais de performance. Communiquez avec nous pour discuter de vos projets en cours et à venir!