Puissance de sortie d’une éolienne

La courbe de puissance de sortie d’une éolienne est une courbe qui varie en fonction de la vitesse du vent. On l’élabore à partir des mesures effectuées en laboratoire ou en site réel à l’aide d’un anémomètre placé à proximité de l’éolienne. En général, cette courbe est fournie par le constructeur. Connaissant les données de la courbe, on peut prédire l’énergie que l’éolienne va produire sur une journée, sur un mois et sur une année avec une méthode statistique qu’on verra plus tard. La FIGURE 1.12 ci-dessous montre un exemple de la courbe de puissance d’une VAWT de 6 kW. En général, la plupart des éoliennes sont équipées des systèmes de contrôle pour se protéger des vents faibles et des vents cycloniques.

1.7. Chaines de conversion électromécaniques 27

Figure 1.12 – Puissance d’une éolienne de 5 kW en fonction de la vitesse du vent.

A partir de la vitesse du vent de 12 m/s, la puissance de sortie de l’éolienne doit être maintenue constante pour ne pas endommager l’éolienne. Si la vitesse du vent est trop faible, de l’ordre de 2 m/s ou trop fort, de l’ordre de 20 m/s, l’éolienne sera mise hors service pour des raisons de sécurité.

1.7 Chaines de conversion électromécaniques

Nombreuses sont les machines électriques qui peuvent être utilisées comme générateur pour une éolienne. On peut citer les machines asynchrones, les génératrices synchrones et les moteurs à courant continu. Dans l’industrie éolienne, les génératrices synchrones et asynchrones sont les plus utilisées. Il existe des génératrices synchrones à pôles lisse et à pôle saillant. L’avantage d’utiliser les génératrices synchrones c’est que ces machines peuvent fonctionner même à des vitesses du vent très faible.

Parmi les génératrices synchrones existantes, les génératrices synchrones à aimant permanent sont utilisées pour les éoliennes de faibles ou de forte puissances. Dans cette étude, c’est cette machine électrique qu’on va étudier et coupler plus tard avec le rotor d’une VAWT.

La machine asynchrone peut être utilisée comme une génératrice et le principe est de la faire fonctionner au delà de sa vitesse de synchronisme. A cet état, la machine asynchrone

se transforme en génératrice asynchrone et produit du courant électrique. L’avantage avec les machines asynchrones est qu’elles sont moins chères que les machines synchrones. Ces machines sont simples à fabriquer, mais ils ne sont pas adaptées aux éoliennes de faible puissance.

Le moteur à courant continu est utilisé depuis longtemps comme génératrice éolienne de faible puissance, mais elle est moins courante que les machines synchrone. Notre étude ici se concentre surtout sur les machines destinées à être couplées à une VAWT de faible puissance pour simuler une éolienne à vitesse variable.

1.7.1 Les génératrices asynchrones à cage

Utilisées pour les puissances importantes, de l’ordre de 150 kW et reliés au réseau alternatif, les génératrices asynchrones bénéficient d’un faible coût, les éoliennes conçues à l’aide de ces machines peuvent atteindre une puissance de l’ordre du mégawatt. La machine asynchrone à cage d’écureuil est la machine qui nécessite un système de démarrage et de compensation d’énergie réactive [Abdelli 07]. L’utilisation des génératrices asynchrones nécessite une mise en place des multiplicateurs de vitesse du fait de sa faible vitesse de rotation. Le dispositif de conversion d’énergie peut être observé à la FIGURE 1.16. La puissance mécanique captée par les pales de l’éolienne sont converties en puissance électrique à l’aide d’un réducteur et d’une génératrice asynchrone à cage. Les grandeurs de sortie de ce système de conversion d’énergie sont triphasées.

GAS

GAS

GAS

GAS

GAS

Figure 1.13 – Système éolien basé sur la machine asynchrone à cage [Abdelli 07].

1.7.2 Les génératrices asynchrones à double alimentation (MADA)

La génératrice asynchrone à double alimentation repose sur le principe de la cascade hypo-synchrone. C’est à dire, le stator est connecté en tension et à fréquence fixe au réseau et le rotor est connecté au réseau à travers un convertisseur de fréquence. L’avantage de ces machines est qu’elles peuvent fonctionner à vitesse variable. Cette technique nécessite deux onduleur, MLI triphasés, dont l’un fonctionne en mode redresseur et l’autre fonctionne en mode onduleur.

L’on-1.7. Chaines de conversion électromécaniques 29

duleur fonctionnant en mode redresseur se trouve du coté de la MADA et l’autre fonctionnant en onduleur se retrouvant du côté du réseau triphasé.

MADA Réducteur P_mécanique ^Pélectrique MADA Réducteur P_mécanique ^Pélectrique MADA Réducteur P_mécanique MADA MADA Réducteur P_mécanique ^Pélectrique

Figure 1.14 – Système éolien basé sur la machine asynchrone à double alimentation [Abdelli 07].

1.7.3 Les génératrices synchrones

Les génératrices synchrones diffèrent des génératrices asynchrones, car elles tournent à la vitesse de synchronisme. Les machines asynchrones tournent légèrement en dessous de sa vitesse nominale. Les génératrices synchrones sont compliquées à fabriquer et plus cher sur le mar-ché, comparé aux génératrices asynchrones. Ces génératrices peuvent être à pôle lisse et à pôle saillant. La machine à pôle saillant est surtout utilisée pour des applications qui nécessitent une faible vitesse de rotation. Les génératrices à pôle lisse sont utilisées pour des vitesses impor-tantes. Les génératrices à pôle saillant trouvent leurs applications dans les turbines hydrauliques [Abdelli 07]. MS Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique MS MS Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique MS Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique MS MS Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique ^Réducteur P_mécanique

Figure 1.15 – Système éolien basé sur la machine synchrone avec réducteur de vitesse [Abdelli 07].

1.7.4 Les génératrices synchrones à aimant permanent

La machine synchrone à aimant permanent offre la possibilité de couplage direct entre le rotor de l’éolienne et la MSAP sans réducteur de vitesse. Cette technologie résout les problèmes des éoliennes fonctionnant à faible vitesse. Dans cette catégorie, on peut citer les VAWTs. La différence entre la machine synchrone classique et la machine synchrone à aimant permanent c’est le remplacement de l’inducteur de la machine synchrone par un aimant permanent. Le

choix préférentiel de cette machine parmi tant d’autres vient au fait qu’elle est fabriquée avec une large gamme de vitesse. La gamme de vitesse avec un nombre de paire de pôle élevée donne une vitesse de rotation lente.

MSAP MSAP MSAP

Figure 1.16 – Système éolien basé sur la machine synchrone à aimant permanent [Abdelli 07].

Avec les convertisseurs électroniques, il est possible de concevoir des éoliennes avec une MSAP débitant directement sur un courant continu à l’aide des ponts de redresseur à diodes. L’architecture de cette type de conversion est donnée par la FIGURE 1.17 suivante.

MSAP MSAP MSAP

Figure 1.17 – Système éolien basé sur la machine synchrone à aimant permanent débitant sur un courant continu [Abdelli 07].