Fonctionnement isochrone ou avec droop

TMF: fréquence du réseau (barres d'interconnection) Load G...: puissance fournie par le générateur O: fréquence du réseau I: référence (puissance totale) P: puissance fournie par le générateur C: commun pour toutes les entrées A: correction éventuelle L'entrée I (puissance fournie par tous les générateurs) permet avec l'entrée P (puissance fournie par le générateur auquel est branché le module) de régler la puissance à fournir par le générateur. Le module n'effectue que le load sharing, la répartition de la charge. Le branchement correspond à celui d'un module load sharing de DEIF. Le réglage principal concerne le pourcentage de puissance qu'un générateur peut fournir, par rapport à sa puissance nominale. Supposons un générateur de 250kW. Avec un réglage sur 80%, le générateur ne devra jamais fournir plus de 80% de sa puissance nominale, soit 200kW. Sauf raisons précises on laisse le réglage à 100% (par exemple générateur dont le refroidissement est plus faible, générateur usé,... Le réglage Xp détermine la zone de réglage, par exemple 20%. En dehors de cette zone de réglage le relais "+" ou "-" est activé en permanence. Tn indique la durée d'une impulsion moyenne du relais "+" ou "-". Quand la puissance fournie par le générateur est trop faible ou trop importante par rapport à la moyenne, le relais "+" ou "-" est activé pour commander le servo-moteur de l'injection de carburant. L'activation du relais est montré par une led Min et Max. Pour éviter une correction incessante, il y a également un réglage de la zone morte (non accessible sur la face avant du boitier). Le cable d'interconnection (mauve) ne sert pas à assurer la synchronisation, mais à stabiliser le fonctionnement en parallèle. Les deux sources de courant produisent un courant identique par générateur selon la puissance fournie, 5mA à la charge nominale. L'ampli opérationnel compare la puissance générale (moyenne: global power ou common power) à la puissance locale (local power) et adapte l'injection de carburant. L'interconnection permet aux groupes de travailler en mode isochrone (à vitesse constante, donc fréquence constante), le statisme (droop) pouvant être nul.

Fonctionnement avec statisme

Quand la charge augmente, automatiquement le moteur va tourner moins vite. L'électronique va compenser en injectant plus de carburant, mais la compensation n'est pas à 100%: plus la charge augmente, et plus la fréquence diminue. Un générateur en fonctionnement avec statisme tournant à vide produit par exemple une fréquence de 52Hz, et de 48.5Hz à charge maximale.

Le fonctionnement avec statisme est également interessant pour les générateurs couplés: chaque générateur produit automatiquement une puissance en proportion. Il suffit de régler la fréquence à vide de chaque générateur sur la même valeur et de régler le statisme sur le même pourcentage.

Dans la plupart des installations (générateurs seuls ou couplés) on va donc autoriser un statisme limité. Dans la pratique on tente d'avoir un statisme de moins de 4%.

Fonctionnement isochrone

Dans le cas de générateurs couplés, chaque générateur doit connaitre quelle est la puissance totale consommée, pour que chaque générateur puisse produire une puissance en proportion. Il doit donc y avoir une liaison entre le module électronique de chaque générateur. Certaines combinaisons de générateurs ne permettent pas un fonctionnement isochrone, l'ensemble devient instable.

Un fonctionnement 100% isochrone avec une fréquence parfaitement stable n'existe pas en pratique: une forte variation de la charge produit une variation de la fréquence avant que le système n'ait eu le temps de compenser l'erreur. Même le réseau de distribution électrique a une fréquence qui varie (très légèrement) avec la charge du réseau.

Fonctionnement en programme

Ces générateurs ont un mode de fonctionnement particulier: on dit qu'ils sont en fonctionnement sur programme. Chaque générateur reçoit une consigne de puissance à fournir. La puissance fournie est mesurée et l'injection de carburant est réglée en conséquence. La vitesse/fréquence du générateur n'est pas stabilisée, c'est le réseau qui détermine la fréquence. Le réseau agit comme réseau infini, et la puissance apportée par un générateur n'influence pas le réseau en son entièreté.

La puissance à fournir est par exemple une valeur fixe, ou est déterminée dynamiquement selon la consommation effective de l'entreprise, pour limiter le pic de consommation.

Interconnection de générateurs

Il y a quelques années (lors du plan de délestage précédent pour être précis), j'ai du installer plusieurs générateurs dans des entreprises agricoles. Une telle entreprise nécessite une puissance de 40 à plus de 100kW pour le fonctionnement des ventilateurs, de l'éclairage, des pompes,...

Il y de nombreuses entreprises qui vendent des générateurs, mais ils sont généralement trop chers. Par contre on trouve régulièrement des générateurs de seconde main sur certains sites spécialisés (Troostwijk est le plus connu). Il s'agit principalement de générateurs en provenance de l'armée. La puissance va généralement de 40 à 85kW. Ces générateurs peuvent fonctionner individuellement ou en mode iloté-couplé (générateurs couplés mais isolés du réseau de distribution).

Si un seul générateur suffit normalement, il y a des moments où il faut brancher plusieurs générateurs en parallèle pour obtenir plus de puissance. Bien que les générateurs soient tous hétéroclites, ils ont tous une interconnection. Elle ne sert pas à effectuer la synchronisation (il faut l'effectuer manuellement car aucun générateur ne dispose d'un synchronisateur), elle sert à équilibrer la puissance sur les différents groupes. Un générateur ne peut en effet pas déterminer la demande totale de puissance.

Le circuit utilisé est repris dans tous les générateurs (tous les générateurs sont indiqués en bleu clair sur le schéma). Il se compose de deux sources de courant (par générateur) qui produisent 5mA à puissance maximale. Un générateur de 50kW a deux sources de courant qui produisent 1mA par 10kW, tandis qu'un générateur de 85kW a deux sources de courant de 1mA par 17kW. Quand un générateur travaille à sa puissance nominale, le courant est donc toujours de 5mA.

Les deux sources de courant par générateur produisent une chute de tension dans une résistance de 1kΩ, cette chute de tension dépend évidemment de la puissance que le générateur fournit, elle est de 5V à puissance nominale.

Pour équilibrer la puissance, il y a une interconnection qui reprend la masse électronique (isolée de la masse électrique ou "neutre") et la tension sur une des résistances de 1kΩ. Toutes les sources de courant et les résistances (indiquées en rouge) des générateurs synchronisés sont donc interconnectées. La tension qui apparait ("common signal") indique le pourcentage de puissance consommée (par rapport à la puissance nominale additionnée de tous les générateurs).

Chaque groupe électrogène a deux broches où on peut brancher un cable d'interconnection, la première broche pour le groupe précédent et la seconde pour le suivant. Le cable relie tous les générateurs.

Supposons que tous les générateurs travaillent à 80% de leur puissance nominale. Notre générateur travaille également à 80% de sa capacité nominale, donc 40kW. La tension à la borne de la résistance individuelle est donc de 4V, tout comme celle à la borne de la résistance générale. L'ampli opérationnel ne reçoit alors aucune tension de différence et le gouverneur (qui commande l'injection de carburant) ne reçoit pas de signal + ou -.

Supposons que notre générateur travaille à 60% de sa puissance (tandis que les autres restent à 80%). La tension à la borne de la résistance locale est de 3V (résistance bleue), tandis que la tension générale (résistance rouge) est de 4V. L'ampli opérationnel reçoit ainsi une différence de tension common power - local power qui apparait à la sortie de l'ampli opérationnel. La différence de tension positive est envoyée au gouverneur pour augmenter l'injection de carburant. Cette situation continuera jusqu'à ce que la puissance est équilibrée.

S'il n'y a pas d'interconnection, l'ampli opérationnel reçoit une tension identique sur les deux entrées et ne produit aucune tension de commande. C'est le mode de fonctionnement quand le générateur travaille en mode isolé.

Le système est assez simple: il nécessite une synchronisation manuelle et ne permet pas de prioriser certains générateurs: chaque générateur fournit une quote-part identique (l'ensemble n'est parfaitement stable à toutes les charges que si c'est le cas). Par contre, le système est très fiable à cause de sa simplicité. Les générateurs couplés répondent rapidement aux changements de charge sans trop de deséquilibre. Le statisme (voir plus loin) peut être nul, puisque chaque générateur se corrige automatiquement.

Chaque générateur a un réglage de l'offset de l'ampli qui permet en fonctionnement individuel de régler la vitesse de rotation du moteur (et donc la fréquence du courant). Une fois que le couplage est effectué, on augmente le réglage pour que le générateur fournisse un un pourcentage de puissance équivalent aux autres générateurs. Avant un découplage, il faut à nouveau réduire sa puissance pour éviter une survitesse lors de la déconnection. Si on joue sur les réglages d'offset de tous les générateurs, on peut modifier la fréquence du réseau local.

Il est possible de se passer d'interconnection, l'équilibrage de la charge se faisant alors par le statisme (droop) qu'il faut augmenter au maximum. Quand la charge augmente, la vitesse de rotation diminue, ce qui permet d'équilibrer la charge sur les différents générateurs. L'inconvénient est une chute de la fréquence entre la marche à vide et la pleine charge de 2 à 3Hz.

L'ampli opérationnel est un peu plus complexe que ne montre le schéma. Il fournit un signal pulsé pour commander les servo moteurs et a une zone morte.

Il doit également y avoir un équilibrage de la puissance réactive. La puissance réactive nécessaire peut être déterminée approximativement par un transfo d'intensité (différence de phase entre la tension et le courant). Le transfo d'intensité n'est nécessaire que pour la marche en parallèle. Les nouveaux modèles de ce type de générateur ont également une interconnection pour la puissance réactive. Le fonctionnement de l'équilibrage est identique. Grâce au cable, un réglage moins précis des paramètres du module d'excitation suffit: le système compense automatiquement les erreurs.