Rétrofits d'Invertisseurs Haute Tension dans les Centrales Électriques

1 Structure de base et mécanisme de fonctionnement des onduleurs haute tension

1.1 Composition modulaire

• Module redresseur : Ce module convertit l'énergie électrique en courant alternatif à haute tension en courant continu. La section de redressement est principalement composée de thyristors, de diodes ou d'autres dispositifs semi-conducteurs de puissance pour réaliser la conversion du courant alternatif en courant continu. De plus, par l'intermédiaire d'une unité de commande, une régulation de tension et une compensation de puissance dans une certaine plage peuvent être réalisées.

• Module de filtrage DC : Le courant continu redressé est traité par un circuit de filtrage pour lisser les fluctuations de tension, formant une tension continue stable sur le bus. Cette tension non seulement fournit un support énergétique pour l'étape d'inversion ultérieure, mais joue également un rôle crucial dans la stabilité de la tension de sortie et la capacité de réponse dynamique.

• Module d'inversion : Le courant continu filtré est reconverti en courant alternatif dans le module d'inversion en utilisant des dispositifs semi-conducteurs de puissance tels que les IGBT et la technologie de modulation de largeur d'impulsion (PWM). En ajustant le rapport cyclique et la fréquence de commutation du signal PWM, l'onduleur peut contrôler avec précision l'amplitude et la fréquence de la puissance alternative de sortie, répondant aux besoins de diverses charges telles que les moteurs, les ventilateurs et les pompes. Cette technologie permet à l'onduleur de fournir des fonctions telles que le démarrage doux, la commande de vitesse sans à-coups, des conditions de fonctionnement optimisées et des économies d'énergie.

1.2 Mécanisme de fonctionnement

Les onduleurs haute tension utilisent une topologie multicellulaire en cascade, produisant une forme d'onde qui se rapproche étroitement d'une onde sinusoïdale. Ils peuvent directement délivrer une puissance alternative à haute tension pour entraîner les moteurs. Cette configuration élimine la nécessité de filtres supplémentaires ou de transformateurs de montée et offre l'avantage d'un contenu harmonique faible. La vitesse du moteur $n$ satisfait l'équation suivante :

Où : $P$ est le nombre de paires de pôles du moteur ; $f$ est la fréquence de fonctionnement du moteur ; $s$ est le taux de glissement. Étant donné que le taux de glissement est généralement faible (généralement compris entre 0 et 0,05), l'ajustement de la fréquence d'alimentation du moteur $f$ permet de réguler sa vitesse réelle $n$. Le taux de glissement du moteur $s$ est positivement corrélé à l'intensité de la charge — plus la charge est élevée, plus le taux de glissement est grand, ce qui entraîne une diminution de la vitesse réelle du moteur.

1.3 Facteurs clés dans le choix technique

• Adaptation de la tension : Sélectionnez des schémas de correspondance appropriés tels que "Haute-Haute" ou "Haute-Basse-Haute" en fonction de la tension nominale du moteur. Pour les moteurs dont la puissance dépasse 1 000 kW, le schéma "Haute-Haute" est recommandé. Pour les moteurs inférieurs à 500 kW, le schéma "Haute-Basse-Haute" peut être priorisé.

• Atténuation des harmoniques : Les harmoniques sont facilement générés aux bornes d'entrée et de sortie des onduleurs haute tension. Pour réduire leur impact, des techniques de multiplexage ou des filtres supplémentaires peuvent être utilisés. En configurant correctement les filtres, la distorsion harmonique peut être contrôlée à moins de 5 %, assurant ainsi une atténuation efficace des harmoniques.

• Adaptabilité environnementale : Les onduleurs haute tension nécessitent des systèmes de refroidissement par air ou par eau pour s'assurer que la température interne du panneau de commande reste en dessous de 40°C. Des déshumidificateurs et des unités de climatisation sont généralement installés sur les sites d'onduleurs. Dans des zones spéciales sans climatisation, les cotes de température des composants doivent être prises en compte lors de la conception, et la capacité de ventilation des systèmes de refroidissement doit être augmentée pour assurer un fonctionnement stable.

2 Exemple d'application des onduleurs haute tension dans les centrales électriques

Le système de puissance d'une centrale électrique comprend généralement des équipements tels que des groupes turbo-alternateurs, des chaudières, des systèmes de traitement de l'eau, des systèmes de convoyage de charbon et des systèmes de désulfuration. La section turbine alimente les pompes d'alimentation en eau et les pompes circulantes, la section chaudière fournit des ventilateurs d'insufflation (ventilateurs primaires), des ventilateurs secondaires et des ventilateurs d'extraction, tandis que la section de convoyage de charbon opère des convoyeurs à bande. En utilisant des onduleurs haute tension pour le contrôle de vitesse variable de ces dispositifs en fonction des variations de charge, la consommation d'énergie peut être réduite, la consommation d'énergie auxiliaire abaissée et l'économie de fonctionnement améliorée.

Un projet de production de nickel-fer à Morowali, en Indonésie, situé sur l'île de Sumatra, a mis en service huit ensembles de générateurs de 135 MW entre 2019 et 2023. Afin d'optimiser davantage les opérations internes et de réduire les coûts de production, des rénovations techniques impliquant l'installation d'onduleurs haute tension ont été mises en œuvre entre 2023 et 2024 pour les pompes à condensat des unités 1, 2, 3, 4 et 7, ainsi que pour les pompes d'alimentation en eau des unités 2 et 5.

2.1 État des équipements

Le projet utilise un processus métallurgique de nickel-fer avec 25 lignes de production, équipées de huit chaudières à lit fluidisé circulant Dongfang Electric DG440/13.8-II1 et de huit ensembles de turbines à vapeur intermédiaires de 135 MW. Chaque unité est configurée avec deux pompes à condensat à fréquence fixe, deux pompes régulées par couplage hydraulique et six ventilateurs régulés par couplage hydraulique.

Les pompes d'alimentation en eau et les ventilateurs sont conçus avec une redondance, offrant une capacité de secours de 10 % à 20 %. Les unités 5 et 6 fonctionnent en mode île avec un taux de charge d'environ 70 %. En optimisant la vitesse des moteurs pour correspondre aux exigences de charge réelles et en intégrant le retour d'énergie de freinage régénératif au réseau, la consommation d'énergie inutile des ventilateurs, des pompes et d'autres équipements est réduite, minimisant davantage les pertes d'énergie du système.

2.2 Schéma de rénovation

Sur la base des conditions réelles de fonctionnement des équipements, des rénovations d'onduleurs haute tension ont été mises en œuvre pour les pompes d'alimentation en eau et les pompes à condensat des ensembles de générateurs de 135 MW.

• Rénovation des pompes d'alimentation en eau : Une configuration "Automatique Un à Un" a été adoptée, où chaque pompe d'alimentation en eau est équipée d'un onduleur haute tension dédié, y compris un armoire de contournement pour assurer la fiabilité du système.

• Rénovation des pompes à condensat : Une configuration "Un à Deux" a été mise en œuvre, où deux pompes à condensat partagent un onduleur haute tension, équilibrant l'efficacité et la rentabilité.

En tenant compte de la plage de température maximale historique locale de 23 à 32°C, les composants ont été sélectionnés pour fonctionner à une température ambiante de 40°C. De plus, la conception d'évacuation forcée du panneau de l'onduleur a été ajustée en fonction d'une température de pièce de 40°C pour assurer une dissipation thermique efficace, éliminant la nécessité d'une salle d'onduleurs dédiée ou de systèmes de climatisation.

2.3 Évaluation des bénéfices économiques

L'investissement total pour ce projet de rénovation était d'environ 6 millions de RMB, comprenant 5 millions de RMB pour l'équipement, 400 000 RMB pour la construction et 600 000 RMB pour les matériaux auxiliaires fournis par le client. Les calculs montrent un bénéfice annuel d'économie d'énergie de 6,58 millions de RMB, permettant un retour sur investissement en moins d'un an, atteignant ainsi les objectifs économiques attendus.

3 Conclusion

Avec le développement rapide de la technologie des onduleurs haute tension, ses applications se sont rapidement étendues dans divers secteurs industriels. Dans les systèmes de production des centrales électriques, la technologie des onduleurs haute tension devrait être activement promue. La priorité devrait être donnée à la rénovation des unités ayant de longues heures de fonctionnement ou nécessitant des mises à niveau urgentes, car de telles mesures offrent une valeur économique et stratégique significative.