Système à pas variable "Pitch"

Normalement, pour l’orientation des pales est fonction de la vitesse du vent, il faudrait également prendre en compte les variations des caractéristiques de l’air et l’état de surface des pales (givre éventuel, salissures…) qui influent sur le comportement aérodynamique. Les pales sont face au vent aux basses vitesses (de la vitesse minimale à la vitesse de base) puis s’inclinent pour atteindre la position "drapeau" à la vitesse maximale.

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Mécaniquement, il s’agit d’un dispositif sophistiqué (commande par vérins hydrauliques dans les grosses machines), surtout pour les petites machines où il grèverait le coût, et pour les très grosses puissances (au delà du MW) où il devient fragile.

Ce système de régulation offre les avantages suivants :

La possibilité de pouvoir effectuer un contrôle actif de la puissance sous toutes les conditions du vent (en dehors de la vitesse limite de sécurité), y compris à une puissance partielle.

Il peut fournir la puissance nominale même quand la densité de l’air est faible (des sites sur les hauteurs, grandes températures).

Une production d’énergie plus importante que les éoliennes à décrochage stall dans les mêmes conditions de fonctionnement.

Démarrage rapide par changement de l’angle de calage.

Il n’y a pas besoin de freins puissants pour les arrêts d’urgence.

Les contraintes des pales sont plus faibles quand les puissances sont supérieures à la valeur nominale.

La masse réduite des pales du rotor mène à une masse réduite de la turbine éolienne.

Le principe du fonctionnement de la commande de lancement est illustré par la Figure (1.11).

Quand le vent est en dessous de la vitesse évaluée (nominale), l'angle d'attaque de pale est maintenu à sa valeur évaluée (optimale) αP. Dans le cas ou la vitesse du vent est plus élevée que la vitesse du vent évaluée, l'angle d'attaque de la lame sera diminué pour réduire la force d’élévateur F_w,pitch. Quand la lame est entièrement lancée, l'angle de l'attaque de pale est aligné avec le vent, comme représenté par la Figure (1.11b), et aucune force d'élévateur ne sera produite. La turbine cessera de tourner puis sera fermée par le frein mécanique pour protéger la turbine et l’aérogénérateur. L'exécution de la commande de lancement est représentée par la Figure (1.11b), où la transmission mécanique de l'opération de turbine au-dessus de la vitesse du vent évaluée peut être bien contrôlée.

Figure (1.11): Principe aérodynamique de la commande de l’angle lancement.

La commande de lancement réagit plus rapidement que la commande stall et fournit une meilleure contrôlabilité. Elle est largement adoptée actuellement dans de grands systèmes d’énergie éolienne.

En général, la modification de l'angle de lancement de la pale de l'éolienne a quatre objectifs distincts :

Démarrage à une vitesse du vent, vd, réduite.

Régulation de la vitesse Ω, pour v > vn.

Optimisation du régime de conversion de l'énergie, quand la vitesse du vent évolue entre les limites [vd, vn]. vitesses du vent, le générateur et le convertisseur de puissance commandent la turbine du vent pour maximiser la capture d'énergie en maintenant la vitesse du rotor à une valeur optimale prédéterminée. Pour des vitesses de vent élevées, la turbine du vent est commandée pour maintenir la puissance aérodynamique créée par la turbine en contrôlant l’angle de lancement.

Les références [12] et [13], proposent un modèle détaillé de la turbine de vent à vitesse variable commandée par l’angle de lancement approprié afin d’étudier la stabilité transitoire des turbines de vent de puissance de quelques mégawatts. Le modèle simulé est basé sur un ensemble de courbes non linéaires entre le rapport de vitesse de bout de la pale, le coefficient de puissance et l'angle de lancement de la turbine de vent. Les références considèrent également un modèle détaillé du vent à l’entrée de la turbine. La référence [12] emploie des fonctions de transfert pour représenter la dynamique du générateur électrique entraîné par la turbine du vent, tandis que [13]

emploie la représentation dans le repère dq pour la machine synchrone agissant en tant que générateur électrique. Un contrôleur proportionnel-intégral (PI) est employé pour mettre en application le contrôleur de l’angle de lancement pour limiter la puissance de la turbine dans le cas des régimes de vitesses du vent élevés. Les résultats de simulation obtenus pour ces modèles indiquent une bonne approximation de l'exécution dynamique d'un grand générateur de turbine de vent soumis aux conditions du vent turbulent. La référence [14] présente la suite du travail des deux références citées précédemment, les auteurs ont présenté un modèle général qui peut être employé pour montrer tous les types de turbines de vent à vitesse variable par des simulations dynamiques du système d'alimentation. La modélisation de la turbine du vent donnée par les auteurs, maintient le contrôleur de l’angle de lancement qui réduit l'efficacité du rotor de turbine aux vitesses du vent élevées, comme donné dans [12] et [13]. La dynamique de turbine de vent est déterminée par l’utilisation des courbes non linéaires, qui sont des approximations numériques pour estimer la valeur de coefficient de puissance de la turbine pour des valeurs

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comparaison entre les courbes de puissance en per-unit de deux turbines de vent commerciales et celle obtenue théoriquement en employant l'approximation numérique. Les résultats indiquent que l’approximation numérique générale peut être employée pour simuler différents types de turbines de vent.