Configurations de l’éolienne à vitesse variable

L’éolienne à vitesse variable connectée au réseau est composée d’une turbine, un multiplicateur, un générateur, un convertisseur de puissance. D’autres éléments comme des filtres et des capacités de compensation réactive sont aussi ajoutés pour améliorer la qualité de l’énergie produite. Les transformateurs assurent l’adaptation de la tension au point de connexion de l’éolienne avec le réseau. La partie électrique de l’éolienne, en général, consiste en un générateur électrique synchrone ou asynchrone. Les machines synchrones utilisées sont plutôt à rotor bobiné avec un grand nombre de pôles [27] ; elles tournent, donc, à une vitesse lente et elles sont connectées à des réseaux de moyenne tension. La turbine éolienne est directement reliée au rotor sans multiplication de vitesse. Les machines à réluctance variable se classent aussi sous cette catégorie de générateurs [28]. Ces générateurs sont connectés au réseau 50 Hz par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance. La puissance produite par ces éoliennes est généralement faible.

La deuxième catégorie d’éolienne repose sur des machines asynchrones à cage ou à rotor bobiné. Ces machines tournent à une vitesse beaucoup plus importante que celle de la turbine éolienne d’où la nécessité d’utiliser un multiplicateur de vitesse. Cette technologie est utilisée pour les fortes puissances et retenue par les constructeurs pour la connexion au réseau moyenne tension.

La machine asynchrone fonctionne en mode moteur ou générateur. Elle peut être alimentée par le stator (machine à cage ou à rotor bobiné court-circuité) ou par le stator et le rotor à la fois (machine à rotor bobiné).

3.1.1 Eolienne à machine asynchrone à cage

L’éolienne dans cette configuration entraîne une machine asynchrone à cage connectée au réseau par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance situé au circuit statorique, (voir la figure 3.1).

Le redresseur assure des tensions et des fréquences variables à la sortie du générateur ce qui permet de conduire la vitesse de l’éolienne. Il reçoit ses consignes de tension et de fréquence du processus de la commande. L’onduleur est contrôlé pour garder constante la tension de bus continu, représenté par une capacité sur la (figure 3.1).

Les pales de la turbine éolienne sont orientables (commandable) pour permettre de limiter la puissance électrique produite constante et égale à sa valeur nominale lors des vitesses du vent très importantes.

3.1.2 Eolienne à machine asynchrone à double alimentation

Dans cette conception le stator de la machine asynchrone est connecté directement au réseau. Le convertisseur de puissance se trouve au circuit rotorique. Le redresseur alimente les enroulements rotoriques par les tensions et la fréquence de consigne qu’il reçoit de la procédure de commande. L’onduleur est contrôlé pour garder constante la tension du bus continu. Cette configuration a l’avantage de réaliser des économies sur les convertisseurs de puissance car la puissance car la puissance transitée par le circuit rotorique est faible par rapport à la puissance statorique dans la 1^éreconfiguration [24].

Figure 3.2 Eolienne à MADA pilotée au rotor [30]

3.1.3 Génératrices synchrones

Les machines asynchrones présentent le défaut d’imposer la présence d’un multiplicateur de vitesse. Elles sont en effet bien adaptées à des vitesses de rotation relativement importantes et un couple insuffisant pour un couplage mécanique direct sur les voilures éoliennes.

Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples très importants à dimensions géométriques convenables. Elles peuvent donc être utilisées en entraînement direct sur les turbines éoliennes.

Les systèmes de ce type possèdent aussi leurs défauts. Les machines synchrones à rotor bobiné demandent un entretien régulier de système des bagues et balais. Le circuit d’excitation de l’inducteur demande la présence du réseau et une fourniture de la puissance réactive. Les sites isolés ne sont adaptés à ces génératrices qu’en présence d’une batterie de condensateurs ou d’une source de tension indépendante. Par contre, la possibilité de réglage de l’inducteur de ces machines offre un moyen supplémentaire d’ajustement du point de fonctionnement énergétique. Le couplage direct sur le réseau est proscrit car étant beaucoup trop rigide. Une électronique de puissance s’impose pour toutes les applications utilisant ce type de machine qui sont donc à vitesse variable. Mais, contrairement aux génératrices MADA (Machines Asynchrones à Double Alimentation) la chaîne de conversion placée sur le stator doit être dimensionnée pour la totalité de la puissance du système de production.

Le développement des matériaux magnétiques a permis la construction de machines synchrones à aimants permanents à des coûts qui deviennent compétitifs. Les machines de ce type sont à grand nombre de pôles et permettent de développer des couples mécaniques considérables. Il existe plusieurs concepts de machines synchrones à aimants permanents dédiées aux applications éoliennes, des machines de construction standard (aimantation radiale) aux génératrices discoïdes (champs axial), ou encore à rotor extérieur.

Le couplage de ces machines avec l’électronique de puissance devient de plus en plus viable économiquement, ce qui en fait un concurrent sérieux des génératrices asynchrones à double alimentation. Les systèmes de ce type ont un taux de défaillance jugé faible grâce à la suppression de certaines sources de défauts : suppression du multiplicateur de vitesse et du système de bagues et balais pour les génératrices à aimants (figure 3.3). Les frais d’entretien sont alors minimisés ce qui est très intéressant dans les applications éoliennes, en particulier dans les sites difficilement accessibles (offshore par exemple). La présence obligatoire de l’électronique de puissance permet enfin une régulation simple de la vitesse de rotation et donc une optimisation énergétique efficace.

Figure 3.3 Système éolien basé sur la machine synchrone à aimants permanents [31]

Une autre solution (figure 3.4) est le redressement à diodes placé directement derrière la génératrice. L’optimisation de la gestion énergétique n’est alors possible que si l’excitation est réglable. Une version dérivée de cette structure sera étudiée plus amplement dans la suite de ce document.

Figure 3.4 Système basée sur la machine synchrone et le redresseur à diodes [31]

Les systèmes de très petite puissance peuvent être simplifiés radicalement. En choisissant judicieusement les paramètres (paramètres machine et tension continue) du système représenté sur la (figure 3.5), un système à vitesse « non constante », à coût minimum et énergétiquement assez performant peut être obtenu [32].

Figure 3.5 Système éolien à coût minimum [31]

C'est dans ce chapitre, en conserve la modélisation de la génératrice asynchrone auto-excitée biphasée de la GAS à cage tout en tenant compte de la saturation du circuit magnétique; nous abordons ensuite la détermination de la capacité d’excitation et la modélisation de l’auto-amorçage de la GAS à cage ; nous allons ensuite modéliser les différentes charges statiques.

Le Générateur asynchrone à cage d’écureuil présente des avantages de modicité et de robustesse. L’absence d’alimentation électrique du rotor et la facilité de couplage au réseau ont fait un choix intéressant pour les installations de production électrique de faible puissance.

Le principal inconvénient de cette solution est la consommation de puissance réactive, par ailleurs, le rendement est nettement plus modeste que celui de l’alternateur.