Quelques technologies de générateurs rencontrés dans les systèmes Eoliens

Les générateurs fréquemment rencontrés dans les systèmes éoliens sont résumés dans le tableau suivant, [10, 20, 32-34, 37]:

Tableau I.2: Classement des générateurs rencontrés dans les systèmes éoliens.

Génératrice à Courant

continu

Ce type de machine n’est utilisé que sur les éoliennes de très faible puissance (inférieur à 500W) pour charger des batteries et alimenter des installations de type station de mesure.

Systèmes utilisant la

machine synchrone

MS

Machine synchrone à rotor bobiné: La connexion directe au réseau de puissance implique que la machine synchrone à rotor bobiné (MSRB) tourne à vitesse constante, laquelle est fixée par la fréquence du réseau et le nombre de pôles de la machine. L’excitation est fournie par le système de bagues et balais ou par un système sans balais avec un redresseur tournant.

Machine synchrone à aimants permanent: La caractéristique d’auto excitation de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) lui permet de fonctionner avec un facteur de puissance élevé et un bon rendement, ce qui le rend propice à l’application à des systèmes de génération éolienne.

Machine asynchrone à cage d’écureuil: Elles ont l’avantage d’être fabriquée en grande quantité et dans une très grande quantité d’échelle des puissances, moins exigeantes en termes d’entretien et présentent un taux de défaillance très peu élevé

Systèmes grand nombre de paires de pôles pour les vitesses les plus faibles. Ce système reste intrinsèquement un dispositif à vitesse fixe mais possède deux points de fonctionnement différents. réseau et le rotor est connecté à un redresseur. Une charge résistive est alors placée en sortie du redresseur par l'intermédiaire d'un hacheur à IGBT ou GTO.

MADA avec structure de Kramer: Dans le but d’augmenter le rendement de la structure du système précédent, on remplacera le hacheur et la résistance par un onduleur qui va permettre de renvoyer l'énergie de glissement vers le réseau.

MADA avec structure VCRS : Proposé par Vestas, cette structure comporte un redresseur à diodes sur le côté du réseau et un onduleur non autonome sur le côté rotor. Cette structure est seulement capable de générer de l'énergie en fonctionnement en dessous de la vitesse synchrone

MADA avec structure de Scherbius: Une autre structure intéressante utilise deux ponts triphasés d’IGBT commandables à l’ouverture et à la fermeture et leur fréquence de commutation est plus élevée que celle des GTO

MADA avec structure de Scherbius avec cyclo-convertisseur:

L’association redresseur-onduleur peut être remplacée par un cyclo-convertisseur afin d'autoriser un flux d'énergie bidirectionnel entre le rotor et le réseau.

MADA avec convertisseur matriciel: Ce type de topologie ne nécessite pas de stockage d’énergie volumineux ni de liaison DC. L’un des principaux inconvénients du convertisseur matriciel est qu’il faut 18 commutateurs au total, ce qui augmente le coût du semi-conducteur du convertisseur.

MADA sans balais (BDFM): On place les enroulements des deux MADA dans des encoches communes. La BDFM proposée par René Spéet autres de l’Oregon State University (USA). A partir des premiers résultats de leur recherche, ils ont réalisé un brevet sur la conception de la machine et du modèle en régime permanent.

MADA en cascade: Un des bobinages du stator, appelé Bobinage de Puissance (BP), est directement relié au réseau, tandis que l’autre, appelé Bobinage de Commande (BC), est alimenté par un convertisseur bidirectionnel.

Les figures ci-dessous (I.13, I.14, I.15) présentent quelque structure de chaines de conversion éoliennes à base de machine synchrone, asynchrone simple et double alimentée, [20, 32-35].

(a) (b)

(c)

(d) (e)

Figure I.13 : Quelques configurations basées sur la MS, (a) : liaison directe, liaison indirecte par l’intermédiaire (b) : d’un redresseur et un onduleur, (c) : de deux onduleurs, (d) et (e) :

MAS double stator.

CCM CCR CCM CCR

(a) (b)

(c) (d)

Figure I.14 : Quelques configurations basées sur la MAS, (a) : liaison directe, (b) : liaison indirecte par l’intermédiaire d’un redresseur et un onduleur, (c) : liaison indirecte par

l’intermédiaire de deux onduleurs, (d) : MAS double stator.

(a) (b)

(c) (d)

CCM CCR

CCM CCR

CCM CCR

(e) (f)

Figure I.15 : Quelques configurations basées sur MADA, (a) : contrôle par énergie dissipée, (b) : avec cycloconvertisseur, (c) : structure de Kramer, (d) : pilotée par le rotor, (e) : sans

balais, (f) : en cascade.

Les tableaux I.2 et I.3 rappellent les différentes caractéristiques des différents générateurs éoliens, [17, 18, 32, 34].

Tableau I.3 : Capacité de réglage des différents générateurs éoliens.

Type

Pitch contrôle Contrôle P approximatif.

Tableau I.4: Avantages et inconvénients des différents générateurs éoliens, [10, 32].

Type Avantages Inconvénients

MSAP vitesse variable

Fonctionnement à vitesse variable sur toute la plage de vitesse.

Puissance extraite optimisée pour les vents faibles.

Connexion de la machine facile à gérer.

Possibilité d’absence de boite de vitesse.

Prix de l’électronique de puissance.

Machine spécifique.

Grand diamètre de machine.

Electronique de puissance dimensionnée pour la puissance nominale de la génératrice.

MAS vitesse

fixe

Machine robuste.

Faible coût.

Pas d’électronique de puissance.

Puissance extraite non optimisée.

Maintenance boite de vitesse.

Pas de contrôle de l’énergie réactive.

Magnétisation de la machine imposée par le réseau.

MADA vitesse variable

Fonctionnement à vitesse variable.

Puissance extraite optimisée.

Electronique de puissance dimensionnée à 30

% de la puissance nominale.

Machine standard.

Connexion de la machine plus facile à gérée.

Une magnétisation de la machine gérée en cas de défaut sur le réseau.

Maintenance boite de vitesse.

Prix de l’électronique de chapitre. Dans ce contexte, nous avons passé en revue les différentes structures des turbines : à axe horizontal et à axe vertical ainsi que leurs principes de rotation. Nous avons décrit les différentes génératrices pouvant être concernées par la chaine de conversion éolienne.

Les systèmes de conversion d’énergie utilisant la vitesse variable à base de la GADA sont les plus populaires dans l'industrie de l'énergie éolienne, en particulier pour la taille multi-mégawatt. En effet les systèmes à base de GADA ont une capacité de conversion de puissance efficace à des vitesses du vent variables et à contrainte mécanique réduite et à faible prix en raison de la taille des convertisseurs de puissance nécessaires pour atteindre le plein contrôle de la machine. Cela justifie, dans le cadre de ce travail, le choix d’une configuration de la conversion éolienne pour la production de l’électricité basée sur une GADA.