E Couplage de deux réseaux moyenne tension avec

Revue ABB 2/1996 25
n Amérique comme en Europe, de
nombreux réseaux en îlots exploités à diffé-
rentes fréquences ont été créés à l’époque
initiale de l’électrification. Par exemple aux
USA, 40 et 25 Hz étaient très courants, à
savoir en majorité dans des réseaux indus-
triels. Ces réseaux ont été réalisés pendant
les premières décennies de ce siècle et ont
été en partie fortement agrandis au cours
des ans. En raison de la longue durée de
service des machines et des installations,
ces réseaux existent encore de nos jours en
de nombreux endroits. Lors de la réalisation
de réseaux interconnectés, lorsqu’on a in-
troduit la fréquence standard de 60 Hz, les
extensions et les nouvelles installations des
réseaux industriels ne furent pourtant réali-
sées de manière généralisée qu’avec du
courant de 60 Hz. Il en a résulté que dans
des entreprises de vieille tradition, il existe
encore souvent deux réseaux d’alimentation
séparés de différentes fréquences, ce qui
implique de nombreux inconvénients pour
l’exploitation et la maintenance.
Pour des raisons économiques, la trans-
formation d’une installation de 40 Hz à
60 Hz ne peut être considérée que dans le
cadre d’un renouvellement complet. Dans
les grandes entreprises, un tel renouvelle-
ment s’effectue pourtant le plus souvent par
étapes. Entre-temps, des convertisseurs de
fréquence statiques fournissent dans de
nombreux cas d’intéressantes possibilités
pour coupler des réseaux de différentes fré-
quences et donc pour optimiser l’exploita-
tion d’installations existantes.
Jusqu’à une date récente, la société
Great Northern Paper (GNP), un grand fabri-
cant de papier des USA, s’est trouvée dans
la situation peu confortable de posséder
deux réseaux triphasés propres de 40 et de
60 Hz. Depuis longtemps, l’entreprise avait
recherché des possibilités d’assainisse-
ment. Récemment, on avait considéré la
conversion de l’une des centrales hydrauli-
ques de l’usine de 40 à 60 Hz, en rebobi-
nant les alternateurs. On y avait pourtant re-
noncé jusqu’ici pour des raisons de coûts.
L’offre considérablement plus avantageuse
d’ABB Industrie SA pour le couplage des
deux réseaux avec un convertisseur de fré-
quence statique arrivait donc exactement au
bon moment, d’autant plus qu’une solution
particulièrement attrayante était proposée
en matière de délai de livraison.
Les deux réseaux
de Great Northern Paper
La société GNP fait partie du groupe Bowa-
ter. Dans l’Etat du Maine, avec ses grandes
ressources hydrauliques, elle exploite deux
grandes papeteries intégrée. Ces deux uni-
tés consomment ensemble annuellement
environ 1400 GWh d’énergie électrique.
Celle-ci est produite essentiellement dans
les centrales électriques propres de l’entre-
prise. GNP dispose de six centrales hydrau-
liques avec une puissance installée totale de
126 MW, ainsi que de centrales à vapeur
d’une puissance totale de 117 MW . La
société possède également les barrages
des centrales hydrauliques, ce qui permet
un engagement flexible de l’énergie hydrau-
lique.
Les centrales à vapeur servent en pre-
mier lieu à la production de chaleur de pro-
cédé. Jusqu’ici, elles devaient aussi pro-
duire environ un tiers de l’énergie électrique
requise.
La société GNP a été fondée au début du
siècle. Pendant longtemps, elle était alimen-
tée uniquement par son réseau propre
de 40 Hz. Pourtant, pendant les dernières
décennies, de nouvelles installations furent
construites pour 60 Hz. De cette façon, on a
obtenu deux réseaux d’alimentation sépa-
rés, entre lesquels aucun échange d’énergie
n’était possible. Encore aujourd’hui, la puis-
sance installée du réseau de 40 Hz est
beaucoup plus grande que celle du réseau
propre de 60 Hz. Tandis que le réseau de 40
Hz est exploité en îlot, celui de 60 Hz est
connecté par une ligne avec l’entreprise
1
COUPLAGE DE RÉSEAUX
Brian G. Wiley
Great Northern Paper, Inc.
Joseph Frisch
ABB Industrial Systems Inc.
Peter Dähler
Martin Strittmatter
Erich Suter
ABB Industrie AG
E
Couplage de deux
réseaux moyenne
tension avec un
convertisseur de fré-
quence en construc-
tion à conteneur
ABB a développé une nouvelle construction pour le couplage de deux grands
réseaux industriels de différentes fréquences aux USA. Cette solution com-
prend un convertisseur de fréquence de 24 MW logé dans un conteneur, y
compris ses auxiliaires et sa commande. Ce mode de construction présente
trois avantages importants: il fournit une installation compacte, on évite la
construction d’un bâtiment particulier et les dépenses de montage et de mise
en service sont fortement réduites.

26 Revue ABB 2/1996
d’électricité publique Bangor Hydro, à savoir
avec une puissance de seulement 20 MW.
Jusqu’à ce jour, le manque de flexibilité du
réseau de 40 Hz signifiait un grand inconvé-
nient, vu que les anciennes régulations des
alternateurs hydrauliques sont relativement
lentes. Les fluctuations de tension et de
fréquence étaient donc fréquentes. A cause
de la faiblesse du couplage avec le réseau
public, le réseau de 60 Hz était également
sensibles aux grands changements de
charge. Lors des grandes offres d’eau (pen-
dant la fonte de la neige), une grande partie
de l’énergie hydraulique restait inutilisée, ce
qui constituait une perte économique impor-
tante.
A présent, dans la sous-station voisine
de Millinocket , les deux réseaux sont
couplés par un convertisseur de fréquence
statique d’ABB. De cette façon, on a réussi
à stabiliser le réseau de 40 Hz et la propen-
sion aux dérangements des deux réseaux a
pu être fortement diminuée. En outre, on
peut à présent transmettre de l’énergie hy-
draulique excédentaire au réseau de 60 Hz,
en y produisant moins d’énergie thermique
et en permetttant d’injecter du courant élec-
trique dans le réseau public. Selon les dires
de GNP, le convertisseur de fréquence est
amorti en seulement 3 ans, grâce à la meil-
leure utilisation de l’énergie hydraulique dis-
ponible.
1
Convertisseur de fréquence clé
en main dans un conteneur
Les premiers contacts avec des représen-
tants d’ABB ont convaincu GNP qu’un
convertisseur de fréquence statique pour le
couplage des deux réseaux fournirait des
avantages économiques et d’exploitation.
En un temps extrêmement bref, ABB a éla-
boré et soumis une offre à prix ferme. ABB
était également disposé à accepter un délai
de livraison très court de moins de 8 mois à
compter de la date de la signature du
contrat. Cela n’était possible que parce
qu’une solution unique en son genre était
proposée pour le convertisseur de fré-
quence: l’ensemble du convertisseur, avec
son installation de refroidissement, la distri-
bution de l’énergie auxiliaire, ainsi que la
technique de contrôle-commande sont
logés dans un conteneur. Ce faisant, on
pouvait monter et contrôler en usine non
seulement les convertisseurs de courant
modulaires, mais aussi tout le convertisseur,
y compris la commande et les auxiliaires,
puis les fournir clé en main. Sur site, la solu-
tion à conteneur procure un avantage de
prix considérable, vu qu’on pouvait renon-
cer à un bâtiment spécial. Sur le site, il ne
fallait plus que construire les fondations, qui
faisaient également partie de la livraison
ABB. La cabine de convertisseur prête au
service pèse 14 t au transport et mesure
10,6 ×3,6 ×3,4 m (longueur ×largeur
2
× hauteur). La puissance nominale du
convertisseur est de 24 MW. Une marche
en surcharge jusqu’à 30 MW est possible
avec une limitation d’une heure. L’énergie
peut être transmise dans les deux direc-
tions. Les transformateurs des convertis-
seurs et la bobines de réactance du circuit
intermédiaire ont été adjoints directement
sur site à la cabine. A l’intérieur, la cabine est
subdivisée en deux compartiments. L’un
d’eux contient les convertisseurs à thyris-
tors, et l’autre les auxiliaires et la commande
. Tous les composants actifs sont dispo-
sés clairement et facilement accessibles.
Besoin d’espace et disposition
de l’installation
fournit une représentation schématique
limitée aux principaux appareils de l’installa-
tion. Les appareils de commutation et les
circuits de filtrage triphasés en exécution
extérieure requièrent la majeure partie
de la surface au sol, bien qu’ici également,
on ait accordé une grande attention à une
exécution compacte. Les bancs de conden-
sateurs, les selfs et les résistances d’amor-
tissement des 3 phases sont montés
de manière superposée sur une fondation
commune, afin de minimiser l’encombre-
ment.
Convertisseur de fréquence
à tension de circuit intermédiaire
basse
La tension nominale des deux réseaux est
de 34,5 kV. Le convertisseur de fréquence
est formé de deux convertisseurs de confi-
guration identiques à 12 impulsions. Cha-
que convertisseur est branché sur deux
transformateurs avec des enroulements se-
condaires différents (couplage en étoile,
resp. en triangle), qui fournissent des rétro-
actions à 12 impulsions . Les convertis-
seurs sont refroidis à l’eau. Chacun d’eux
est formé de deux ponts couplés en série
avec 72 thyristors au total.
La tension nominale du circuit inter-
médiaire est de 2,7 kV. Cette tension résulte
de la tension de blocage admissible d’un
thyristor, en tenant compte des surtensions
transitoires maximales qui peuvent se pro-
duire en cas de dérangement du réseau.
Hormis en faible charge (< 10% de la puis-
sance nominale), cette tension est mainte-
5
4
3
LL
79 MW
GSt
84 MW Millinocket
GH
38 MW GSt
42 MW GH
FC
40 Hz
34.5 kV
60 Hz
34.5 kV
20 MW 44 kV BH
24 MW
Schéma des réseaux GNP et des puissances installées
LMachines, installations GST Centrales à vapeur
FC Convertisseur de fréquence ABB BH Entreprise d’électricité
GHCentrales hydrauliques Bangor Hydro
1
COUPLAGE DE RÉSEAUX

Revue ABB 2/1996 27
Convertisseur de fréquence
installé dans le conteneur;
au premier plan, les auxiliaires et les
commandes; à l’arrière-plan, les
convertisseurs à thyristors avec les
conduites de refroidissement.
3
Le conteneur avec le
convertisseur de fréquence dans
l’usine ABB de Turgi/Suisse;
on reconnaît à droite les
branchements des transformateurs
du convertisseur.
2
COUPLAGE DE RÉSEAUX

28 Revue ABB 2/1996
nue constante. Ce faisant, on a pu renoncer
au couplage série de plusieurs thyristors.
Pour maîtriser le courant nominal de 8,9 kA
dans le circuit intermédiaire, on a branché
chaque fois 6 thyristors en parallèle dotés
de fusibles. La transmission de la puissance
reste assurée même en cas de défaillance
d’un thyristor.
Les auxiliaires (pompes, ventilateurs,
commande) de l’ensemble du convertisseur
sont alimentés par un transformateur séparé
à partir du réseau de 60 Hz. Il existe en
outre un chauffage d’arrêt alimenté par le ré-
seau de 40 Hz. Vu que les convertisseurs
sont pilotés par le réseau, les auxiliaires ne
peuvent plus être utilisés en cas de défail-
lance du réseau de 60 Hz et aucune trans-
mission d’énergie ne peut alors être effec-
tuée à partir du réseau de 40 Hz.
Technique de contrôle-commande
et de protection
Un système de contrôle-commande de la
famille des appareils PSR (régulateurs pro-
grammables rapides) [1] développé spécia-
lement par ABB pour les applications dans
les installations de convertisseurs sert à la
commande, aux régulations et à la protec-
tion de l’installation.
La commande et la surveillance dans un
poste de commande séparé sont réalisés à
l’aide d’un système de contrôle-commande
pour réseaux S.P.I.D.E.R. MicroSCADA. Ce
système est fondé sur un ordinateur Micro-
VAX 3100 avec un terminal VT 420, un
micro-poste de travail avec imprimante et
reliés par Ethernet. La liaison entre le
convertisseur et le poste de commande est
60-Hz 5th
harmonic filter bank
Capacitor
Grounding
switch
Reactor
Resistor
5.3
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
40-Hz 3rd
harmonic filter bank
Grounding
switch
Reactor
Resistor
5.6
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
60-Hz 12th
harmonic filter bank
Capacitor
Grounding
switch
Reactor
Resistor
6.5
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
40-Hz 12th
harmonic filter bank
Grounding
switch
Reactor
Resistor Resistor
6.0
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
60-Hz 12th
harmonic filter bank
Capacitor
Capacitor Capacitor Capacitor
Grounding
switch
Reactor
Resistor
6.5
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
40-Hz 12th
harmonic filter bank
Grounding
switch
Reactor
6.0
MVAr
Filter bank
vacuum
switching
unit
Converter
cooling unit
60-Hz
converter
transformer
40-Hz
converter
transformer
Control
and
protection
section
Converter
section
24 MW
60
Hz
40
Hz
Smoothing
reactor
Frequency converter
enclosure
60-Hz station bus
40-Hz station bus40-Hz manual disconnecting switch
60-Hz manual disconnecting switch
40-Hz interconnection to customers’ 34.5 kV substation
60-Hz interconnection to customers’ 34.5 kV substation
40-Hz station
auxiliary
transformer
60-Hz station
auxiliary
transformer
Disposition de l’installation – à gauche les appareils de commutation, les barres collectrices et les circuits de
filtrage triphasés; à droite le conteneur avec les convertisseurs de fréquence, les équipements de contrôle-commande
et les auxiliaires, ainsi que les transformateurs, les inductances de lissage et le groupe de refroidissement.
4
COUPLAGE DE RÉSEAUX

Revue ABB 2/1996 29
fournie par un conducteur à fibres optiques.
Dans ce poste, l’exploitation du convertis-
seur est également intégrée dans le sys-
tème de contrôle-commande «Echanges
d’énergie» (EOS, Energy Optimization Sys-
tem) de GNP.
Régulation de la puissance active
Le convertisseur de fréquence permet
l’échange d’énergie dans les deux direc-
tions. La régulation s’opère selon le procédé
puissance-fréquence usuel dans les systè-
mes interconnectés . Normalement, la
fréquence du réseau de 60 Hz est détermi-
née par l’interconnexion avec l’entreprise
d’électricité Bangor Hydro. Par contre, celle
6
du réseau de 40 Hz peut fluctuer avec une
certaine largeur de bande. L’opérateur fixe la
puissance de référence voulue Pr(y compris
sa direction), ainsi que la valeur de consigne
frde la fréquence du réseau de 40 Hz. Dans
la gamme de fréquence
f40 = fr±6f(6f=
0,2 Hz
), la puissance de consigne est main-
tenue constante par le système de régula-
tion. En cas de plus fortes divergences de la
fréquence, la puissance transmise se modi-
fie avec une raideur de 16 MW/Hz, jusqu’à
la valeur limite fixée par l’opérateur. La com-
mutation de la régulation de la puissance
sur celle de la fréquence s’effectue progres-
sivement.
Le convertisseur de fréquence a aussi
fortement amélioré l’exploitation du réseau
de 60 Hz. Autrefois, de grandes modifica-
tions de charges ou la défaillance d’un
alternateur provoquaient une surcharge
de la ligne d’interconnexion de faible puis-
sance avec l’entreprise d’électricité Bangor
Hydro et son déclenchement par la protec-
tion de ligne. Il en résultait un blackout
pour l’usine et pour toute la ville de Milli-
nocket.
En exploitation normale, le couplage de
la fréquence règle, en plus de la fréquence
de 40 Hz, en seconde priorité également la
puissance transmise par la ligne d’intercon-
nexion. En cas de dérangement de cette
ligne, la fréquence de 60 Hz est pourtant ré-
glée en première priorité, vu que son réseau
alimente les consommateurs les plus sensi-
40 Hz
34.5 kV
60 Hz
34.5 kV
Y D
Y Y
Y Y
D Y
2
11
2
2.7 kV 3
54 480 V
240 V/
120 V
66
77
HP 3 HP 12 HP 12 HP 5 HP 12 HP 12
Schéma de l’appareillage du convertisseur de fréquence
5
1Transformateurs du convertisseur
2Convertisseurs à thyristors à
couplage en pont
3Inductance du circuit intermédiaire
4Transformateur des auxiliaires
(40 Hz, biphasé)
5Transformateur des auxiliaires
(60 Hz, triphasé)
6Interrupteurs à vide des filtres
7Circuit de filtrage:
HP3, HP5, HP12 (accordés aux 3e,
5eet 12eharmoniques)
COUPLAGE DE RÉSEAUX