L’énergie est fondamentale pour toutes les activités humaines et, de fait, indispensable au développement socio-économique. La question énergétique aujourd’hui est au cœur des préoccupations internationales. L’économie mondiale se trouve en effet face un défi majeur.
La pénurie d’énergie contribue à maintenir indéfiniment dans la pauvreté des personnes, des communautés, des états et des régions. Donc, l’énergie est devenue de plus en plus primordiale pour l’humanité. En effet, l’accès à l’énergie est la garantie de meilleures conditions de vie et facteur essentiel pour un développement économique.
L’industrialisation très forte des dernières décennies et la prolifération des appareils domestiques électriques ont mené à des besoins planétaires immenses en énergie électrique.
Face à la forte demande énergétique au monde, et l’épuisement des ressources énergétiques fossiles et aux problèmes environnementaux causés par l’émission des gaz à effet de serre lors de l’exploitation de ces ressources, il s’avère nécessaire de faire appel à d’autres sources d’énergie qui peuvent être utilisées sans risque sur la vie humaine et l’environnement.
Les énergies nouvelles regroupent classiquement un ensemble d’énergies inépuisables à l’échelle humaine avec des sources d’énergies gratuites et naturelles. C’est le cas de l’énergie du soleil, du vent, des cours d’eau, de la terre et généralement de la biomasse humide ou sèche, à l’échelle de la durée de vie de l’humanité.
Les énergies renouvelables associent des avantages sur le plan environnemental, social, économique, ainsi que géopolitiques [KEN07]. Ces énergies présentent aussi des inconvénients comme le non-régularité des ressources à l'exception de l'énergie géothermique, aussi, les énergies renouvelables consomment de l’espace et entrent en concurrence avec d’autres usages des territoires. En plus, l’une des propriétés qui limite l’utilisation de l’énergie renouvelable est lié au fait que la matière première (source de l’énergie) n’est pas transportable dans la majorité des cas contrairement aux sources traditionnelles comme le pétrole ou l’uranium qui est extrait des gisements respectifs et acheminé « aisément » vers les distributeurs ou les usines éloignées des milieux urbains. Par contre, le lieu de « l’extraction » de l’énergie renouvelable est déterminant pour le lieu de transformation.
Au cours des deux dernières décennies, la génération d’énergie éolienne et solaire ont attirées un grand intérêt et ont été de plus en plus acceptées par les investisseurs.
Cette perspective d'augmentation de la production d'électricité d'origine éolienne et solaire, nécessite alors le développement des méthodes et d'outils de production efficaces.
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Actuellement, les éoliennes à axe horizontal (HAWT) dominent le marché de l’énergie éolienne en raison de leur grande taille et de leurs caractéristiques de production d’énergie.
Cependant, les éoliennes à axe vertical sont capables de générer beaucoup de puissance et offrent de nombreux avantages. L'équipement de production d'énergie mécanique peut être situé au niveau du sol, ce qui facilite la maintenance. De plus, les VAWT sont omnidirectionnels, ce qui signifie qu'ils n'ont pas besoin d'être orientés dans la direction du vent pour produire de l'énergie. Enfin, il existe un potentiel de production d’énergie importante avec VAWT, car sa taille peut être augmentée considérablement.
Les éoliennes à axe vertical (VAWT) peuvent être classées en différents types comme les rotors Savonius et Darrieus. Récemment, l’éolienne H-Darrieus à pales droites (H-DWT) inventée par Darrieus [ISL08] a fait l’objet d’une grande attention en raison de ses caractéristiques. Il est plus résistant aux contraintes mécaniques, omnidirectionnel, moins bruyant et nécessite peu d'entretien [ROS15].
Traditionnellement, l’électricité produite à partir de l’énergie éolienne était rendue possible grâce à l’installation d’une éolienne actionnée par une boîte de vitesse. Dans ces éoliennes, l'arbre est relié au générateur par un multiplicateur. Cela fait du multiplicateur l’une des pièces les plus exigeantes en maintenance d’une éolienne, car elle se compose de plusieurs roues et roulements. Tout défaut dans un seul composant peut entraîner des dommages dans les autres pièces, ce qui peut entraîner une diminution de l'efficacité ou une interruption de la fonctionnalité du système [MEN17] [MSC11]. Techniquement, le retrait de la boîte de vitesses de l'éolienne éliminera la partie la plus compliquée de la machine et réduira le temps d'arrêt et les coûts de réparation, tout en améliorera la fiabilité [GUA14]
[LIU15] [OCH14] [XI15].
Actuellement, seuls les générateurs synchrones à aimants permanents et les générateurs synchrones à excitation électrique sont utilisés dans la technologie des éoliennes à attaque direct pour produire de l'énergie électrique. Portant sur le coût élevé des aimants permanents, et sa disponibilité commerciale, principalement en Afrique.
Ce mémoire a pour premier objectifs l’étude et la commande d’un nouvel système éolien vertical à attaque direct à base d’une génératrice asynchrone à double alimentation.
Cette thèse est la première dans cette thématique. Le générateur asynchrone à double alimentation est une machine asynchrone triphasée à rotor bobiné. Il se caractérise par sa robustesse, sa longévité et une plage de variation de vitesse plus importante.
En plus de l'énergie éolienne, l’énergie solaire constitue aussi une alternative très intéressante. Cette énergie semble la plus prometteuse, non polluante et inépuisable. Elle
Introduction Générale
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provient de la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique à travers d’une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque. L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donne lieu à un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique courant-tension (I-V) non linéaire présentant un point de puissance maximale [TOU18] [MEN16].
En revanche, ces sources présentent deux inconvénients majeurs : le coût et le rendement. Bien que les prix des panneaux solaires ne cessent de diminuer, des travaux sont menés dans le but d’augmenter le rendement des panneaux solaires, ce dernier peut baisser si le panneau ne fonctionne pas autour de son point de puissance maximale qui lui aussi change de position si les conditions climatiques changent, d’où la nécessité d’une technique de poursuite continue de ce point [HAD18].
Le deuxième objectif de cette thèse est d’examiner deux types de commandes MPPT les plus utilisés dans la littérature à savoir, la MPPT P&O et la MPPT floue qui assure une stabilité de puissance à la sortie du générateur photovoltaïque (GPV),
Le présent travail est structuré en deux parties, la première consacrée à l'étude de l’énergie éolienne, qui contient quatre chapitres organisés comme suit :
Un état de l’art de l’énergie renouvelable éolienne est présenté dans le premier chapitre de ce mémoire. Il s’agit d’un rappel sur les systèmes de conversion de l’énergie éolienne et les concepts physiques régissant leurs fonctionnements. Ainsi, un aperçu sur les différents types d’éoliennes à axe vertical ou horizontal, leurs caractéristiques technologiques sont également exposées. Ces rappels sont suivis par une description de system proposé (DDVAWT).
Après un rappel des notions élémentaires à la compréhension de la chaîne de conversion de l’énergie du vent en énergie électrique. Le deuxième chapitre, sera consacré à la modélisation de notre système éolien à travers les équations et les concepts physiques régissant son fonctionnement en présentant le modèle de la turbine, puis nous présentons la modélisation classique de la GADA dans le repère de Park lié au champ tournant. Ensuite, nous donnons un aperçu sur la commande à modulation de largeur d’impulsion des onduleurs de tension. L’objectif de ce chapitre est de définir une représentation d’état et de mettre en évidence la structure multi variable et la nature non-linéaire de ce type de machine. A la fin de ce chapitre nous avons présentés les résultats de simulation qui nous permettrons de passer à la commande.
Le troisième chapitre concernerala commande linéaire de la chaine éolienne à savoir la régulation de vitesse de la turbine par la technique MPPT (Maximum Power Point
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Tracking) pour extraire le maximum de puissance MPPT-PI. De plus, ce chapitre présente une régulation des puissances active et réactive de la GADA par la commande vectorielle directe et indirecte.
Le quatrième chapitre est consacré à la synthèse de deux lois de commande non linéaires, la commande par mode glissant et la méthode backstepping appliquées au générateur asynchrone à double alimentation pour la commande des puissances active et réactive statoriques, dans le but d’évaluer leurs performances.
Le travail qui sera présenté dans le troisième et le quatrième chapitre a été publié dans [ROU19] et [ROU18].
La deuxième partie de ce mémoire, traite l’énergie solaire, qui est subdivisé en trois chapitres organisés comme suit :
Le premier chapitre présente une généralité sur les systèmes photovoltaïque, le rayonnement solaire et la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique. Puis, on montre l’influence des différents paramètres climatiques sur les caractéristiques I(V) et P(V) d’un générateur photovoltaïque.
Le deuxième chapitre est consacré à l’exploitation des modèles de la bibliographie qui nous permettent de créer un lien entre les phénomènes physiques et le comportement observé.
Une comparaison des résultats obtenus sera faite. Les modèles du bus continu, de l’onduleur et de réseau électrique, sont également développés.
Nous introduisons dans le troisième chapitre les concepts de deux techniques d’optimisation proposées afin de les appliquer dans un système photovoltaïque connecté au réseau. Les résultats d’optimisation de la puissance du générateur photovoltaïque par ces différentes méthodes obtenus par simulation en utilisant Matlab Simulink sont présentés et comparés.
Une conclusion générale est donnée afin de regrouper et conclure sur les résultats de simulation obtenus.