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Les générateurs Var statiques à haute tension (SVG) jouent un rôle important dans la compensation dynamique de la puissance réactive, la régulation de la tension et l’amélioration de la qualité de l’énergie. À mesure que leur utilisation s’étend aux énergies renouvelables, à l’exploitation minière, à la métallurgie, aux usines pétrochimiques et aux systèmes électriques ferroviaires, la performance du refroidissement est devenue un facteur important pour l’efficacité des équipements et la fiabilité opérationnelle.
Cet article examine une stratégie de contrôle intelligent du refroidissement développée pour les systèmes SVG haute tension refroidis par air de FGI. En intégrant des variateurs de fréquence variable (VFD) basse tension, la surveillance de la température de l’unité de puissance, des données de sortie en temps réel, ainsi que des capteurs de température ambiante et d’humidité, le système ajuste automatiquement la vitesse du ventilateur de refroidissement selon les conditions réelles de fonctionnement.
Cette approche réduit la consommation d’énergie inutile des ventilateurs, améliore l’adaptabilité environnementale et aide à maintenir un fonctionnement fiable sous des conditions de charge variables. Dans des conditions de fonctionnement appropriées, les économies d’énergie estimées grâce au contrôle intelligent des ventilateurs peuvent dépasser 30 %, selon le profil de charge SVG et l’environnement de fonctionnement.
Mots-clés :SVG haute tension, générateur variateur statique, contrôle intelligent du refroidissement, compensation de puissance réactive, variateur de fréquence, qualité de puissance, efficacité énergétique
La technologie de compensation de puissance réactive a considérablement évolué à mesure que les systèmes électriques modernes sont devenus plus exigeants. Les équipements de compensation sont désormais largement utilisés dans la production, la transmission et la distribution d’électricité, en particulier dans les installations d’énergie renouvelable, les opérations minières, la métallurgie, les installations pétrochimiques et les systèmes ferroviaires électrifiés.
Les technologies de compensation traditionnelles, y compris les condenseurs synchrones et les systèmes à condensateurs, ont progressivement été complétées par des compensateurs var statiques (SVC) et des générateurs var statiques (SVG).
Un SVC utilise généralement des réacteurs contrôlés par thyristors (TCR) en combinaison avec des banques de condensateurs pour réguler la puissance réactive. Bien que cette technologie offre une compensation de puissance réactive ajustable, son fonctionnement peut introduire des courants harmoniques nécessitant une atténuation supplémentaire.
Un SVG, également appelé STATCOM dans de nombreuses applications, utilise des convertisseurs électroniques de puissance pour générer ou absorber dynamiquement de la puissance réactive. En contrôlant l’amplitude et la phase de sa tension ou courant de sortie, un SVG peut répondre rapidement aux changements de conditions de la grille et soutenir la stabilité de la tension. Les systèmes SVG modernes utilisent couramment des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et des algorithmes de contrôle avancés pour obtenir une régulation rapide et continue de la puissance réactive.
Cependant, la conversion électronique de puissance génère de la chaleur, et une gestion thermique efficace est essentielle pour un fonctionnement fiable. Dans les systèmes conventionnels refroidis par air, les ventilateurs de refroidissement peuvent continuer à fonctionner à une vitesse relativement élevée même lorsque le SVG fonctionne à faible charge. Cela peut entraîner une consommation d’énergie auxiliaire inutile.
Pour résoudre ce problème, FGI a développé une stratégie intelligente de contrôle du refroidissement pour ses systèmes SVG haute tension refroidis par air. La stratégie combine un contrôle de l’avance de puissance basé sur la puissance, un contrôle de rétroaction basé sur la température, le fonctionnement du ventilateur à vitesse variable et la surveillance environnementale afin d’adapter plus étroitement la capacité de refroidissement aux besoins réels de fonctionnement.
Un SVG est un dispositif de compensation de puissance réactive électronique de puissance sans composants mécaniques rotatifs. Son convertisseur est connecté en parallèle à la grille via un réacteur ou un transformateur.
En ajustant la tension côté CA du convertisseur par rapport à la tension de la grille, le SVG contrôle l’ampleur et la direction de l’échange de courant réactif.
Ses modes de fonctionnement peuvent se résumer comme suit :
Fonctionnement en veille ou à courant zéro :Lorsque la tension du convertisseur correspond à la tension de grille dans les conditions de fonctionnement concernées, le courant réactif est approximativement nul.
Fonctionnement inductif :Lorsque la tension du convertisseur est inférieure à la tension du réseau, le SVG fonctionne en mode inductif et absorbe la puissance réactive.
Fonctionnement capacitif :Lorsque la tension du convertisseur est supérieure à la tension de la grille, le SVG fonctionne en mode capacitif et fournit de la puissance réactive.
Cette régulation rapide et continue aide à maintenir la stabilité de la tension et à améliorer la qualité de l’alimentation lorsque les charges électriques ou les conditions du réseau changent.
La série FGSVG de FGI comprend des systèmes SVG haute tension basés sur une architecture d’unité de puissance en cascade. Dans la configuration à connexion directe de 35 kV décrite dans l’étude d’ingénierie originale, chaque phase se compose de plusieurs unités de puissance connectées en série.
Chaque unité contient un circuit de pont électronique de puissance. Grâce à des unités de puissance connectées en série et à la modulation par déphasage porteuse, le convertisseur produit une forme d’onde de tension de sortie qui s’approche davantage d’une forme d’onde sinusoïdale. Cela aide à réduire la distorsion de la forme d’onde et les problèmes liés aux taux de changement de tension excessifs (dv/dt).
La série FGSVG utilise des modules électroniques de puissance importés comme principaux dispositifs d’alimentation. Plusieurs processeurs de signal numérique (DSP) et des réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) forment le système de contrôle.
La plateforme de contrôle utilise la théorie de la puissance réactive instantanée pour détecter la puissance réactive du système et la charge. Les techniques de contrôle du courant continu et de déphasage de la porteuse permettent une régulation rapide du courant réactif et une amélioration des formes d’onde du courant de sortie.
Ces capacités permettent au SVG de fournir ou d’absorber en continu de la puissance réactive selon les besoins du réseau.
La conception modulaire de l’unité motrice soutient également la maintenabilité et la disponibilité du système. Les unités de puissance sont conçues pour être interchangeables, ce qui permet de simplifier l’installation et la maintenance. Plusieurs unités SVG peuvent être connectées en parallèle pour augmenter la capacité de compensation, la communication par fibre optique à haute vitesse soutenant un fonctionnement coordonné.
L’interface de contrôle fournit l’état de fonctionnement, les mesures en temps réel, les enregistrements historiques des événements, les courbes de tendance, la surveillance des unités de puissance et les enregistrements de panne. Ces fonctions aident les opérateurs à surveiller la performance du système et à enquêter sur des conditions de fonctionnement anormales.
Dans le système de refroidissement intelligent, les variateurs de fréquence basse tension régulent la vitesse des ventilateurs de refroidissement. Au lieu de fonctionner en continu à une vitesse fixe, les ventilateurs ajustent leur vitesse de rotation selon les conditions thermiques et de fonctionnement du SVG.
Pour réduire le risque d’une défaillance de la fréquence de distribution de fréquences de courant (VFD) affectant le système de refroidissement, la conception intègre un mode de fonctionnement à fréquence d’alimentation basé sur un contacteur. Si le VFD présente un défaut, le contrôleur SVG actionne le contacteur KM1 pour transférer l’alimentation du ventilateur vers le circuit puissance-fréquence.
Cette configuration de secours permet au ventilateur de refroidissement de continuer à fonctionner à une fréquence fixe lorsque le contrôle à vitesse variable n’est pas disponible, aidant à réduire le risque d’interruption de refroidissement causée par une panne du VFD.
La stratégie de contrôle combine les mesures internes des équipements avec les données environnementales.
Surveillance de la température de l’unité de puissance
Chaque unité de puissance SVG haute tension est équipée d’un capteur de température pour surveiller la température de l’IGBT. Les mesures sont transmises au contrôleur SVG via la communication par fibre optique.
Le contrôleur SVG envoie ensuite la température de l’unité de puissance, l’état de fonctionnement SVG, la puissance réactive de sortie et les paramètres de contrôle pertinents à un automate programmable (PLC) via une communication RS485.
Surveillance de la température ambiante et de l’humidité
Des modules de température et d’humidité sont installés autour de l’armoire SVG pour mesurer les conditions environnementales locales. Le PLC lit ces mesures via le bus RS485.
Commande par variateur de fréquence
L’API communique également avec le VFD basse tension via RS485, permettant au contrôleur d’ajuster la fréquence de fonctionnement du ventilateur selon la stratégie de refroidissement choisie.
Ensemble, ces sources de données fournissent la base pour coordonner la vitesse du ventilateur avec la charge électrique, la température interne et les conditions ambiantes.
La température de l’unité de puissance varie relativement lentement en fonction des variations de charge électrique. Si la vitesse du ventilateur est contrôlée uniquement par une rétroaction thermique, la réponse de refroidissement peut être en retard par rapport à une augmentation rapide de la puissance de sortie SVG.
Pour remédier à cette limitation, FGI a introduit une stratégie de contrôle feedforward basée sur la puissance.
La puissance de sortie du SVG est divisée en quatre niveaux de fonctionnement. Le contrôleur utilise ces niveaux pour ajuster la vitesse du ventilateur de manière proactive, tandis que la rétroaction thermique permet une régulation supplémentaire.
Les quatre niveaux de puissance sont définis comme suit :
| Niveau de puissance | Puissance de sortie SVG |
|---|---|
| Niveau 0 | 0–25% |
| Niveau 1 | 25–50% |
| Niveau 2 | 50–75% |
| Niveau 3 | 75–100% |
Chaque niveau a ses propres limites de fréquence des ventilateurs. Lorsque la puissance de sortie augmente rapidement, le contrôleur peut augmenter la fréquence du ventilateur de refroidissement en fonction du niveau de puissance correspondant avant que la température de l’unité ne monte significativement.
Pour éviter des changements fréquents entre les niveaux lorsque la sortie fluctue près d’un seuil, la logique de contrôle utilise différents seuils de transition ascendants et descendants.
Les règles de transition spécifiées sont :
Niveau 0 à Niveau 1 :Augmenter le niveau de fonctionnement lorsque la puissance de sortie SVG dépasse 25 %.
Niveau 1 à Niveau 2 :Augmentez le niveau lorsque la puissance de sortie dépasse 50 %. Réduisez à Niveau 0 lorsque la puissance de sortie reste inférieure à 17 % pendant une minute.
Niveau 2 à Niveau 3 :Augmentez le niveau lorsque la puissance de sortie dépasse 75 %. Réduisez au niveau 1 lorsque la puissance de sortie reste inférieure à 42 % pendant une minute.
Niveau 3 à Niveau 2 :Réduisez le niveau lorsque la puissance de sortie reste inférieure à 67 % pendant une minute.
Après l’activation du SVG, le contrôleur commence initialement au niveau 0 et change de niveau selon les seuils spécifiés.
Cette approche progressive permet d’équilibrer la réactivité du refroidissement, la consommation d’énergie des ventilateurs et la stabilité de fonctionnement.
Le fonctionnement des ventilateurs est coordonné avec le statut de fonctionnement du SVG et la température de ses unités de puissance.
Quand le SVG démarre, le VFD démarre le ventilateur de refroidissement. Lorsque le SVG s’arrête, le niveau de puissance revient au niveau 0, et le contrôleur continue de surveiller la température de l’unité de puissance.
Si le SVG est arrêté mais qu’une température de l’unité de puissance dépasse la limite de température supérieure configurée, le ventilateur peut commencer à éliminer la chaleur résiduelle. Une fois que la température descend en dessous de la limite inférieure configurée, le ventilateur peut s’arrêter.
Si le VFD présente un défaut, le système passe au fonctionnement par ventilateur à fréquence de puissance. Le comportement de démarrage/arrêt du ventilateur et la durée de fonctionnement après chaque démarrage sont alors déterminés par l’état SVG et la température de l’unité de puissance.
Les limites supérieure et inférieure de température, ainsi que les paramètres de synchronisation configurés, permettent au système d’éviter des cycles de ventilateurs inutiles tout en maintenant une protection thermique appropriée.
Après le démarrage du VFD, le contrôleur ajuste sa fréquence de sortie selon la température de l’unité de puissance.
Température au-dessus de la limite supérieure :Le contrôleur augmente la fréquence des ventilateurs à un rythme prédéfini pour renforcer le refroidissement.
Température inférieure à la limite inférieure pendant une minute :Le contrôleur diminue la fréquence des ventilateurs à un rythme prédéfini.
Température entre les deux limites :Le ventilateur maintient sa fréquence de fonctionnement actuelle.
L’utilisation de seuils supérieurs et inférieurs séparés introduit une bande d’hystérésis de température. Combinée au délai d’une minute pour la réduction de fréquence, cette approche aide à éviter les variations excessives de vitesse causées par des fluctuations de température à court terme.
En combinant un contrôle d’avance basé sur la puissance avec un retour d’information basé sur la température, le système répond aux variations de charges tout en maintenant un niveau de refroidissement plus approprié lors d’un fonctionnement stable.
L’humidité et la température ambiantes peuvent également influencer les conditions de fonctionnement des équipements électriques extérieurs ou exposés à l’environnement.
Le système de contrôle SVG collecte des mesures environnementales grâce à des capteurs de température et d’humidité installés autour de l’armoire. Selon la stratégie de commande initiale, lorsque des précipitations ou une forte humidité sont détectées, le système peut passer en mode de fonctionnement à compensation minimale et réduire la vitesse du ventilateur de refroidissement.
L’objectif est de limiter le flux d’air inutile et de réduire les effets néfastes potentiels de l’air humide et de l’exposition à la pluie sur l’équipement.
Cette fonction doit être comprise comme une stratégie opérationnelle spécifique à chaque application plutôt que comme un remplacement de la protection de l’enceinte, de la prévention de l’humidité, de la surveillance de l’isolation ou d’autres mesures de protection environnementale requises.
Après la mise en œuvre, la stratégie de refroidissement intelligente permet au SVG d’ajuster automatiquement la vitesse du ventilateur de refroidissement en fonction des besoins thermiques de ses unités de puissance et des conditions de fonctionnement du système.
Dans de nombreuses applications réelles, un SVG ne fonctionne pas en continu à la puissance réactive nominale. Sa sortie varie en fonction de la tension du réseau, de la demande de charge et des exigences de compensation de l’installation. Dans les centrales photovoltaïques, par exemple, la demande en puissance réactive peut être relativement faible pendant certaines périodes de fonctionnement, y compris la nuit où la compensation de la puissance réactive reste nécessaire mais la production requise est limitée.
Dans ces conditions, le fonctionnement du ventilateur à vitesse fixe peut offrir plus de refroidissement que ce que l’équipement exige. Le fonctionnement à vitesse variable peut réduire cette consommation d’énergie inutile en adaptant la puissance du ventilateur plus étroitement à la demande réelle de refroidissement.
Selon l’étude d’ingénierie, le taux d’économie d’énergie estimé peut dépasser 30 % dans des conditions de fonctionnement appropriées. Les résultats réels dépendent de facteurs tels que la vitesse de charge SVG, le planning de fonctionnement, les conditions ambiantes, les caractéristiques du ventilateur et la méthode de contrôle de refroidissement initiale. Ce chiffre doit donc être considéré comme une estimation, et non comme une économie garantie pour chaque installation.
Au-delà de la réduction de la consommation d’énergie auxiliaire, la stratégie offre plusieurs avantages pratiques :
Refroidissement plus réactif :Le contrôle d’alimentation en continu basé sur la puissance aide le système de refroidissement à répondre à la montée des charges électriques avant qu’une hausse significative de la température ne se produise.
Réduction de la consommation d’énergie auxiliaire :La vitesse du ventilateur peut être réduite lorsque la demande thermique est limitée.
Amélioration de la stabilité opérationnelle :L’hystérésis de température et la réduction retardée de la fréquence aident à prévenir les fluctuations inutiles de la vitesse des ventilateurs.
Continuité du refroidissement lors de pannes VFD :Le bypass alimentation-fréquence offre un mode de fonctionnement alternatif pour le ventilateur.
Meilleure adaptabilité environnementale :Les mesures de température ambiante et d’humidité peuvent être intégrées à la stratégie opérationnelle.
Surveillance simplifiée des équipements :La communication intégrée permet aux opérateurs de surveiller les températures, l’état de fonctionnement, les paramètres de contrôle et les enregistrements de panne.
Pour les installations SVG dans les centrales d’énergie renouvelable, les installations industrielles et d’autres applications à demande de puissance réactive variable, le contrôle intelligent du refroidissement offre un moyen pratique d’améliorer l’efficacité énergétique auxiliaire sans dépendre uniquement d’une ventilation à vitesse fixe.
Une gestion thermique efficace est essentielle pour la performance à long terme des systèmes SVG haute tension. Cependant, les ventilateurs de refroidissement n’ont pas toujours besoin de fonctionner à une vitesse constante, surtout lorsque la puissance réactive du SVG varie tout au long de la journée.
La stratégie de contrôle intelligent du refroidissement de FGI combine la surveillance de la température de l’unité de puissance, des mesures de puissance de sortie en temps réel, la détection de température ambiante et d’humidité, la coordination par API et le contrôle VFD à basse tension. Sa logique à quatre niveaux basée sur l’alimentation continue permet à la vitesse du ventilateur de répondre aux variations de charge électrique, tandis que la rétroaction thermique ajuste la sortie de refroidissement selon les conditions thermiques réelles.
L’ajout d’un fonctionnement de bypass puissance-fréquence offre également un mode alternatif de fonctionnement du ventilateur en cas de panne VFD.
En alignant plus étroitement la capacité de refroidissement sur la demande d’équipement, la stratégie peut réduire la consommation d’énergie auxiliaire, améliorer l’adaptabilité environnementale et soutenir un fonctionnement fiable des systèmes SVG haute tension refroidis par air.
Pour les utilisateurs industriels et les opérateurs de systèmes électriques, le contrôle intelligent du refroidissement est une amélioration pratique à considérer lors de l’évaluation de l’efficacité énergétique globale et de la fiabilité opérationnelle des équipements de compensation de puissance réactive.
FGI (WindSun Science & Technology Co., Ltd.) développe des équipements et solutions électroniques de puissance pour l’amélioration de la qualité de l’énergie, les entraînements de moteurs industriels et la conversion d’énergie. Son portefeuille de produits comprend des générateurs Var statiques (SVG), des variateurs de fréquence et des systèmes de conversion d’énergie pour stockage d’énergie pour des applications dans les secteurs de l’énergie, de l’exploitation minière, de la métallurgie, des énergies renouvelables et d’autres secteurs industriels.
FGI combine la technologie de l’électronique de puissance avec une ingénierie orientée application pour aider les clients à améliorer les performances des systèmes électriques, l’efficacité énergétique et la fiabilité opérationnelle.
