Maximisation de puissance pour un système éolienne

Texte intégral

(1)République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l`Enseignement Supérieur et de la recherche Scientifique. Université de Bouira Faculté des sciences et Des sciences appliquées Département de génie électrique. Mémoire de fin d`Etudes. En vue de l'obtention du diplôme de master en électrotechnique Option: électromécanique et système de commande. Thème. Maximisation de puissance pour un système éolienne. Proposé et dirigé par : Mme: Bensmail.S. Réalisé par : chekroune djamel.  Promotion 2015/2016 .

(2) Remerciements & Dédicaces Qu'il me soit d'abord permis de remercier et d’exprimer ma gratitude envers Dieu de m’avoir donné le courage et la patience durant toutes ces années d’étude. Je tiens à remercier Mme Bensmail.S pour avoir accepté de m’encadrer, je lui exprime par la présente toute ma gratitude pour la confiance qu’il ma prodigué, pour ses encouragements continus, pour le suivi de prés de mon travail et pour ses qualités humaines. Je n’oublie pas de présenter mes remerciements les plus sincères aux membres du jury, pour l’intérêt qu’ils ont apporté à mon travail. Mes remerciements vont aussi à l’ensemble de mes professeurs tout le long de ces années d’études. Je voudrais aussi remercier tout les membres de ma famille, mes chers parents mes chers frères. Mes tantes et mes cousins et cousines. Je tiens à dédier ce modeste travail à : Mes chers parents. Mes chers frères. Mes amis..

(3) Introduction générale. 1. CHAPITRE I : Généralité Systèmes de Conversion d’Energie Eolienne I.1 Introduction. 03. I.2 Définition de l'énergie éolienne. 03. I.3 Etat de l’art et situation de l’éolien dans le monde actuel. 04. I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne. 04. I.3.2 L’énergie éolienne en quelques chiffres. 05. I.3.2.1 la capacité mondiale installée de l’énergie éolienne. 05. I.3.2.2 répartition continentale. 07. I.3.2.3 futur challenges et perspectives mondiales. 08. I.4. les avantages et les inconvénients. 09. I.5 types des turbines éoliennes. 11. I.5.1 éolienne a axe vertical. 12. I.5.2 éolienne a axe horizontale. 13. I.6 constitution d’une éolienne moderne. 14. I.7 zone de fonctionnement de l’éolienne. 16. I.8 modes d’exploitation de l’énergie éolienne. 17. I.10 Les différentes chaînes de conversion d’énergie. 18. I.10 les générateurs utilisés dans le SCE. 19. I.10.1 Systèmes utilisant la machine asynchrone. 19. I.10.2 Systèmes utilisant la machine synchrone. 19. II.10.2.1 Types des machines synchrones. 19. I.10.3 Matériaux pour aimants. 20. I.10.4 Emplacement des aimants. 21. I.10.5 Domaine d’application de MSAP. 22. I.10.6 Avantage et inconvénients de GSAP. 23. I.11 Conclusion. 23. Chapitre II : modélisation d’un système éolienne II.1 Introduction. 24. II.2 Modélisation de l’éolienne. 25.

(4) II.2.1 Modélisation de la partie mécanique de l’éolienne. 25. II.2.1.1 Modélisation de la vitesse du vent (Source primaire). 25. II.2.1.2 Modélisation de la turbine éolienne. 26. II.2.2 Modélisation de la partie électromécanique de l’éolienne. 29. II.2.2.1 Modélisation de la MSAP. 29. II.2.2.2 modèle biphasé de la GSAP dans le référentiel généralisé. 30. II.2.2.3 Modélisation biphasé en charge de la GSAP. 31. II.3 Modélisation de l’onduleur de tension. 32. II.4 conclusion. 34. Chapitre III : l’optimisation d’un système éolienne III.1 Introduction. 35. III.2 Commande de la GSAP. 35. III.2.1 Commande vectorielle. 35. III.2.2 Principe et structure de la commande vectorielle de la génératrice. 35. III.2.3 la commande par hystérésis d’un onduleur. 36. III.2.4 Contrôle des courants par hystérésis. 36. III.3 commande de la turbine (commande direct). 37. III.3.1 Optimisation du rendement énergétique du système éolien. 37. III.3.2 Méthodes de recherche du point maximum de puissance. 37. III.4 La commande classique. 38. III.5 La commande avancée. 41. III.5.1 Domaines d’application. 41. III.5.2 Structure d’un système de commande floue. 41. III.5.2.1 Interface de fuzzification. 43. III.5.2.2 Base de connaissance. 43. III.5.2.3 Inférence floue. 43. III.5.3.4 Interface de déffuzzification. 43. III.6 Principe de recherche du point de puissance maximale (MPPT). 44. III.7 Structure de base d’un contrôleur flou dédié à l’aérogénérateur. 46. III.8 Choix des variables linguistiques et des fonctions d’appartenances. 46.

(5) III.9 Règles de décision du contrôleur flou. 48. III.10 Choix de la méthode de défuzzification. 48. III.11 Les résultats de simulation. 48. III.12 conclusion. 57. Conclusion générale. 58.

(6) Listes des figures. 2015/2016. Chapitre I Figure. I.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent. 03. Figure. I.2 : principaux organes du système de conversion éolien. 04. Figure. I.3 : capacité mondiale installé en MW. 06. Figure. I.4 : nouvelle capacité mondiale installé en MW. 06. Figure. I.5 : taux de croissance du marché mondial [%]. 07. Figure. I.6 : croissance par continent [%]. 08. Figure. I.7 : répartition continentale de la capacité ajoutée en 2010. 08. Figure .I.8 :l’énergie éolienne mondiale (MW). 09. Figure. I.9 : technologie éolienne a axe verticale.. 12. Figure. I.10 : technologie éolienne a axe horizontale.. 13. Figure. I.11 : différentes parties de l’éolienne.. 14. Figure. I.12 : schéma d’une éolienne Enercon a entraînement direct. 15. Figure. I.15 : Courbe de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent.. 16. Figure. 1.16 : Limitation de puissance éolienne, a) pitch, b) déviation verticale de l’axe de Rotation, c) rotation horizontale de l’axe de rotation, d) vitesse continûment Variable. 17. Figure. I.19 : rotor à aimant permanant.. 20. Figure I.20 : Quelques configurations du placement des aimants.. 21. Chapitre II Figure II.1 : éolienne tripale.. 24. Figure II.2 : Modélisation de la partie mécanique de l’éolienne. 25. Figure II.3 :l’évolution de coefficient de puissance en fonction de ration de vitesse. 27. Figure II.4 : la turbine éolienne. 27. Figure II.5 : représentation d’une MSAP dans le repère (a,b,c). 29. Figure II.6 : Structure électrique du stator d’une MSAP. 29. Figure II.7 : représentation des enroulements de la GSAP selon (d,q). 31. Fig. II.9 : schéma d’un onduleur triphasé. 33. Chapitre III Figure III.1: schéma bloc de la commande par hystérésis. 36.

(7) Listes des figures. 2015/2016. Figure III.2 : caractéristique d'un système éolien. 38. Figure III.3 : schéma bloc de la commande TSR. 39. Figure III.4 : schéma bloc de la commande PSF. 39. Fig. III.5 : Schéma synoptique d’un contrôleur flou. 42. Fig. III.6 : Configuration d’un contrôleur flou. 42. Figure III.7 :caractéristique de la voilure dans le plans puissance-vitesse. 45. Figure III.8 : principe de fonctionnement de MPPT a vitesse variable du vent. 45. Figure III.9: Structure du contrôleur MPPT flou appliqué au système éolien.. 46. Figure III.10 : Fonctions d’appartenance de: ΔPéol, Δt et de Δt ,ref. 47. .. Figure III.11 : la vitesse du vent « constante » en fonction du temps.. 49. Figure III.12 :l’évolution de lamda en fonction du temps.. 49. Figure III.13 :l’évolution de Cp en fonction de temps.. 50. Figure III.14 : l’évolution de la Couple électromagnétique en fonction du temps.. 50. Figure III.15 : l’évolution du courant Id en fonction du temps.. 51. Figure III.16 : l’évolution du courant Iq en fonction du temps.. 51. Figure III.17 : l’évolution de la puissance en fonction du temps.. 52. Figure III.18 : l’évolution de la vitesse de rotation en fonction du temps.. 52. Figure III.19 : la vitesse du vent «variable » en fonction du temps. 53. Figure III.20 :l’évolution de Cp en fonction du temps. 53. Figure III.21 : l’évolution de lamda en fonction du temps. 54. Figure III.22 : l’évolution de la vitesse de rotation en fonction du temps.. 54. Figure III.23 : l’évolution de la puissance en fonction du temps.. 55. Figure III.24 : l’évolution du courant Id en fonction du temps.. 56. Figure III.25 : l’évolution du courant Iq en fonction du temps.. 56. Figure III.26 : l’évolution du couple électromagnétique en fonction du temps.. 57.

(8) Liste de tableau Tableau (III.1) : Table des règles de décision floue.. 2015/2016 48.

(9) Mots clé Nomenclature THD: taux de distorsion harmonique MPPT: Maximum Power Point Tracking. MSAP : Machine synchrone à aimant permanant. PI : proportionnel-Intégral MCC : Machine à courant continue MAS : Machine asynchrone ρ : densité volumique de l'air S : Surface balayée par le rotor de l'éolienne : Coefficient de puissance de l'éolienne R : rayon de la turbine. kg.m m m. λ : rapport de vitesse de la turbine β : Angle de calage des pales d'une éolienne ° P: Puissance mécanique disponible sur l'arbre de la génératrice : vitesse du vent W : Vitesse de rotation de la turbine. W m/s rd/s. : Valeur optimale de λ : Couple aéroturbine éolien J : inertie de la turbine f: coefficient des frottements. N.m kg. m. N.m/s. : couple électromagnétique. N.m. : couple visqueux. N.m. : résistances statorique par phase : Inductances propres statorique. H. : Inductances mutuelles entre deux phases statoriques. H. ,. ,. , ,. , ,. : Flux statoriques diphasés dans un repère tournant : Tension d’axes d et q statorique. Wb V. : Tensions statoriques. V. : Courants statoriques. A.

(10) Mots clé , ,. : Inductance propre d’une phase statorique : Inductance mutuelle entre phases statoriques. H. ,. : Inductances propres des axes d et q respectivement. H. ,. ,. S : Surface balayé par les pales de la turbine : Vitesse de rotation des pales. W : Pulsation des grandeurs électriques : Flux statoriques. H. m. m/s rad/s Wb. : Flux des aimants. Wb. ,. Wb. : Flux d’axes direct (d) et en quadratique (q).

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(12) Introduction générale. 2015/2016. Introduction générale La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir. En effet, les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ne cessent d'augmenter. Par ailleurs, les pays émergents auront besoin de plus en plus d'énergie pour mener à bien leur développement. Le recours systématique aux carburants fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel pour les plus répandus pour la production d'électricité, permet d'avoir des coûts de production faibles mais conduit à un dégagement massif de gaz polluant. Ainsi, la production électrique à partir de ces combustibles est à l'origine de 40% des émissions mondiale de CO2. [1] Les énergies renouvelables offrent la possibilité de produire de l'électricité proprement et surtout dans une moindre dépendance des ressources, à condition d'accepter leurs fluctuations naturelles; l’avantage principal de ces énergies renouvelables est que leurs utilisations ne polluent pas l’atmosphère et elles ne produisent pas de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et les oxydes d’azote qui sont responsables du réchauffement de la terre. [2] Dans ce travail on s’intéressera a la production d’énergie a base d’une éolienne, et plus précisément a la maximisation de la puissance produite par cette dernière, Pour ce faire, le mémoire s’est organisé en trois chapitres. Le premier chapitre est consacré à des rappels sur les systèmes de conversion d’énergie éolienne, en présentant des concepts physiques régissant leur fonctionnement. Ces rappels sont suivis par une définition de l’énergie éolienne de manière générale, puis l’évolution des éoliennes durant les dernières décennies Des statistiques sont données montrant l’évolution de la production et la consommation de l’énergie éolienne dans le monde et les différentes technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent, éolienne à axe vertical et à axe horizontal ainsi que les différents générateurs utilisés dans les systèmes éoliens. Dans le deuxième une modélisation de la chaine de conversion d’énergie éolienne, pour cela on va présentée des équations mathématique qui régit de fonctionnement de la turbine, le générateur synchrone a aimant permanant ainsi le convertisseur statique (onduleur). Le troisième sera consacrée a l’optimisation de la puissance produit par le générateur éolienne, tel qu’on va d’abord commander la générateur synchrone a aimant permanant par une commande vectoriel, puis on passera a la recherche du point de puissance maximale (MPPT), en présentent deux méthode, une dite classique(en couple) et l’autre dite avancée 1.

(13) Introduction générale. 2015/2016. (logique floue), la comparaison entre ces deux méthode est faites. En simulant les résultats en utilisant Matlab Simulink, on donnera aussi une interprétation des résultats obtenus. Ce travail sera clôturé par une conclusion générale en donnant quelque perspectives.. 2.

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(15) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. I.1 Introduction Depuis l'utilisation du moulin à vent, la technologie des capteurs éoliens n'a cessé d'évoluer. C'est au début des années quarante que de vrais prototypes d'éoliennes à pales profilées ont été utilisées avec succès pour générer de l'électricité. Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axe vertical ou à axe horizontal), [3] [4] [5] [6] [7]. Les structures des capteurs sont de plus en plus performantes. Outre les caractéristiques mécaniques de l'éolienne, l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique est très importante. Là encore, de nombreux dispositifs existent et, pour la plupart, ils utilisent des machines synchrones et asynchrones. Les stratégies de commande de ces machines et leurs éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettre de capter un maximum d'énergie sur une plage de variation de vitesse du vent la plus large possible, ceci dans le but d'améliorer la rentabilité des installations éoliennes. Dans ce chapitre, on présente une définition de l’énergie éolienne de manière générale, [08] puis l’évolution des éoliennes durant les dernières décennies [09] [10] [11] [12] [13]. Des statistiques sont données montrant l’évolution de la production et la consommation de l’énergie éolienne dans le monde [14] [15] [16] [17] [18], ainsi que les différents générateurs utilisés dans les systèmes éoliens [19] [20] [18]. Ce chapitre sera clôturé par une conclusion. I.2 Définition de l'énergie éolienne : Un aérogénérateur, plus communément appelé éolienne, est un dispositif qui transforme une partie de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l'intermédiaire d'une génératrice (Fig. I.1) [08].. Figure. I.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent[08] Le SCE (Système de Conversion Eolien) est constitué d’un générateur électrique, entrainé par une turbine éolienne à travers le multiplicateur, d’un système de commande, d’un convertisseur statique, d’un transformateur et enfin d’un réseau électrique. Selon la Fig. I.2 [03].. 3.

(16) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. FIG.I.2 : principaux organes du système de conversion éolien [04].. L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée, géographiquement diffuse, et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De plus, c'est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences [08]. I.3 Etat de l’art et situation de l’éolien dans le monde actuel I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne Le vent, comme étant une source d’énergie traditionnelle non polluante, a été exploité depuis plusieurs siècles pour la propulsion des navires (avant 3000 ans environ), l’entrainement des moulins (environs 200000 moulins à vent en Europe vers le milieu du 19ème siècle), le pompage d’eau et le forgeage des métaux dans l’industrie. Ces dernières utilisations sont toutes basées sur la conversion de l’énergie du vent captée par des hélices en énergie mécanique exploitable, [13]. Ce n’est qu’après l’évolution de l’électricité comme forme moderne de l’énergie et les recherches successives sur les génératrices électriques, que le danois Poul La Cour a construit pour la première fois en 1891 une turbine à vent générant de l’électricité [11]. Après la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs Danois ont amélioré cette technologie durant la 1ère et la 2ème guerre mondiale avec une grande échelle [13].C’est 4.

(17) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. principalement la crise pétrolière de 1974 qui relança les études et les expériences avec une échelle plus élevée, ce qui oblige plusieurs pays de commencer l’investissement pour améliorer et moderniser la technologie des aérogénérateurs. Parmi ces investissements, on cite le premier marché important de la Californie entre 1980 et 1986, notamment au début avec des turbines de moyenne puissance (55 kW), puis 144 machines (avec un total de 7 MW) en 1981 et 4687 machines d’une puissance totale de (386 MW) en 1985 [13]. Après ces années, le marché européen a réellement décollé, ce qui permet un développement important de cette industrie de l’éolienne et surtout dans des pays comme l’Allemagne, l’Espagne et le Danemark. Ces pays ont une contribution importante au marché mondial qui atteint 10000 MW en 1998 et environ 47000 MW en 2004 avec une croissance moyenne annuelle de 7500 MW [13]. Le coût global de l’énergie nécessaire à la production d’électricité à partir du vent est maintenant concurrentiel avec les sources d’énergie traditionnelles comme les combustibles fossiles. Cette réduction du coût de l’électricité est le résultat de progrès importants de la technologie utilisée par cette industrie (amélioration des conceptions aérodynamiques, amélioration des matériaux utilisés) [09]. L’énergie éolienne est bien implantée parmi les autres sources d’énergie avec une croissance très forte [09]. I.3.2 L’énergie éolienne en quelques chiffres I.3.2.1 La capacité mondiale installée de l’énergie éolienne Comme il est montré sur les Fig. I.3, I.4 et I.5 la production de l’énergie éolienne est connaît depuis quelques années. La capacité mondiale a atteint 196630 MW, dont 37642 ont été ajoutés en 2010, soit légèrement moins qu'en 2009 [14]. En 2010, la capacité mondiale installée a atteint 196630 MW, après 159766 MW en 2009. Les investissements dans les nouveaux équipements ont diminué dans de nombreux pays du monde. Pour la première fois depuis plus de 20 ans, le marché est inférieur à celui de l'année précédente et a atteint un volume global de 37642 MW, après 38312 MW en 2009 [14]. L'énergie éolienne a montré une croissance de 23.6%, la plus basse depuis 2004 et la seconde plus basse de la décennie passée [14]. 23.6%, le taux de croissance de 2010. Le taux de croissance est le rapport entre la capacité ajoutée et la capacité totale de l'année précédente. Avant 2010, le taux de croissance annuel n'avait cessé de croître depuis 2004, culminant à 5.

(18) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. 31.7% en 2009, la plus forte valeur depuis 2001. Le plus fort taux de croissance de 2010 se trouve en Roumanie, qui a multiplié sa capacité par 40. La seconde région au taux de croissance de plus de 100% est la Bulgarie (+112%). En 2009, quatre marchés avaient plus que doublé leur capacité éolienne : Chine, Mexique, Turquie et Maroc [14].. Figure.I.3 : capacité mondiale installé en MW [14].. Figure.I.4 : nouvelle capacité mondiale installé en MW[14].. 6.

(19) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Figure.I.5 : taux de croissance du marché mondial [%] [14].. I.3.2.2 Répartition continentale En termes de répartition continentale, la plus forte progression de l'industrie éolienne se situe en Asie, et le centre de gravité de l’éolien mondial s'est encore éloigné de l'Europe et de l'Amérique du Nord [14]. L'Asie représente la plus forte part des nouvelles installations (54.6%), suivie de l'Europe (27.0%) et de l'Amérique du Nord (16.7%), L'Amérique Latine (1.2%), et l'Afrique (0.4%) n'occupent toujours qu'un rôle marginal pour les nouvelles installations [14].. 7.

(20) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Figure.I.6 : croissance par continent [%] [14].. Figure.I.7 : répartition continentale de la capacité ajoutée en 2010 [14].. I.3.2.3 Futurs challenges et perspectives mondiales Sur la base de l'expérience et des taux de croissance des années passées [17] prévoie que l'énergie éolienne continuera son développement dynamique dans les années à venir. Malgré les impacts à court terme de la crise financière actuelle qui rendent difficile les prévisions à 8.

(21) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. court terme, on peut attendre, qu'à moyen terme, l'énergie éolienne attirera les investisseurs grâce à son faible risque et au besoin d'énergie propre et fiable. De plus en plus de gouvernements comprennent les bénéfices multiples de l'énergie éolienne et mettent en place des politiques favorables, incluant la promotion des investissements décentralisés par des producteurs indépendants, petits, moyens ou basés sur des communautés, tous ouvrant la voie vers un système de production d'énergies davantage renouvelables pour le futur [10]. En calculant rigoureusement et en prenant en compte des facteurs d'insécurité, on estime que l'énergie éolienne sera capable de contribuer en 2020 à au moins 12% de la consommation électrique mondiale [10]. En 2015, une capacité totale de 600 000 MW est possible. Fin 2020, au moins 1 500 000 MW peuvent être attendus [14].. Figure. I.8 :l’énergie éolienne mondiale (MW) [14]. I.4 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne L’énergie éolienne a des avantages propres permettant sa croissance et son évolution entre les autre sources d’énergie , ce qui va lui donner un rôle important dans l’avenir a condition d’éviter l’impact crée par ses inconvénients cités ci après. I.4.1 Avantages L’énergie éolienne est avant tout une énergie qui respecte l’environnement : ●L’impact néfaste de certaines activités de l’homme sur la nature est aujourd’hui reconnu par de nombreux spécialistes. Certaines sources d’énergie, contribuent notamment à un changement global du climat, aux pluies acides ou à la pollution de notre planète en général. 9.

(22) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. La concentration de CO2 a augmenté de 25% depuis l’ère préindustrielle et on augure qu’elle doublera pour 2050 [19]. Ceci a déjà provoqué une augmentation de la température de 0,3 à 0,6°C depuis 1900 et les scientifiques prévoient que la température moyenne augmentera de 1 à 3,5° C d’ici l’an 2100, ce qui constituerait le taux de réchauffement le plus grand des 10000 dernières années [19]. Toutes les conséquences de ce réchauffement ne sont pas prévisibles, mais on peut par exemple avancer qu’il provoquera une augmentation du niveau de la mer de 15 à 95 cm d’ici l’an 2100 [19] « L’exploitation d’énergie éolienne ne produit pas directement de CO2 ». ●L’énergie éolienne est une énergie renouvelable, c’est à dire que contrairement aux énergies fossiles, les générations futures pourront toujours en bénéficier [19]. ●Chaque unité d’électricité produite par un aérogénérateur supplante une unité d’électricité qui aurait été produite par une centrale consommant des combustibles fossiles. Ainsi, l’exploitation de l’énergie éolienne évite déjà aujourd’hui l’émission de 6,3 millions de tonnes de CO2, 21 mille tonnes de SO2 et 17,5 mille tonnes de Nox [19]. Ces émissions sont les principaux responsables des pluies acides [19]. ●L’énergie éolienne n’est pas non plus une énergie à risque comme l’est l’énergie nucléaire et ne produit évidemment pas de déchets radioactifs dont on connaît la durée de vie [19]. ●L’exploitation de l’énergie éolienne n’est pas un procédé continu puisque les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées, contrairement aux procédés continus de la plupart des centrales thermiques et des centrales nucléaires. Ceux-ci fournissent de l’énergie même lorsque que l’on n’en a pas besoin, entraînant ainsi d’importantes pertes et par conséquent un mauvais rendement énergétique [19]. ●C’est une source d’énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie. Ainsi les pertes en lignes dues aux longs transports d’énergie sont moindres. Cette source d’énergie peut de plus stimuler l’économie locale, notamment dans les zones rurales. ●C’est l’énergie la moins chère entre les énergies renouvelables [19]. ●Cette source d’énergie est également très intéressante pour les pays en voie de développement. Elle répond au besoin urgent d’énergie qu’ont ces pays pour se développer. L’installation d’un parc ou d’une turbine éolienne est relativement simple. Le coût d’investissement nécessaire est faible par rapport à des énergies plus traditionnelles. Enfin, ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà. ●L’énergie éolienne crée plus d’emplois par unité d’électricité produite que n’importe quelle source d’énergie traditionnelle [19]. 10.

(23) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. ●Bon marché : elle peut concurrencer le nucléaire, le charbon et le gaz [16]. ●Respectueuse des territoires : les activités agricoles/industrielles peuvent se poursuivre aux alentours [16]. I.4.2 Inconvénients L’énergie éolienne possède aussi des désavantages qu’il faut citer : ●L’impact visuel, cela reste néanmoins un thème subjectif [19]. ●L’impact sur les oiseaux : certaines études montrent que ceux-ci évitent les aérogénérateurs [19] [13]. D’autres études disent que les sites éoliens ne doivent pas être implantés sur les parcours migratoires des oiseaux, afin que ceux-ci ne se fassent pas attraper par les aéroturbines [19]. ●La qualité de la puissance électrique : la source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance électrique produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la puissance produite n’est donc pas toujours très bonne. Jusqu’à présent, le pourcentage de ce type d’énergie dans le réseau était faible, mais avec le développement de l’éolien, notamment dans les régions à fort potentiel de vent, ce pourcentage n’est plus négligeable. Ainsi, l’influence de la qualité de la puissance produite par les aérogénérateurs augmente et par suite, les contraintes des gérants du réseau électrique sont de plus en plus strictes [19]. ●Le coût de l’énergie éolienne par rapport aux sources d’énergie classiques : bien qu’en terme de coût, l’éolien puissant sur les meilleurs sites, c’est à dire là où il y a le plus de vent, est entrain de concurrencer la plupart des sources d’énergie classique, son coût reste encore plus élevé que celui des sources classiques sur les sites moins ventés [19]. I.5 Types des turbines éoliennes Il existe deux principaux types d'éoliennes qui se défèrent essentiellement dans leur organe capteur d’énergie à savoir l’aéroturbine. En effet, selon la disposition de la turbine par rapport au sol on obtient une éolienne à axe vertical ou à axe horizontal [07].. I.5.1 Eolienne à axe vertical. 11.

(24) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Ils ont été les premières structures développées pour produire de l’électricité. De nombreuses variantes technologies ont été testées dont seulement deux structures sont parvenues au stade de l’industrialisation, le rotor de Savonius et le rotor de Darrieux [07].. Figure.I.9 : technologie éolienne a axe verticale [07]. A nos jours, ce type d’éolienne est plutôt marginal et son utilisation est beaucoup moins rependue. Elles présentent des avantages et des inconvénients que nous pouvons citer comme suit [05] [07]. I.5.1.1 Avantages ●La conception verticale offre l’avantage de mettre le multiplicateur, la génératrice et les appareils de commande directement au sol. ●Son axe vertical possède une symétrie de révolution ce qui permet de fonctionner quel que soit la direction du vent sans avoir à orienter le rotor. ●Sa conception est simple, robuste et nécessite peu d’entretien. I.5.1.2 Inconvénient ●Elles sont moins performantes que celles à axe horizontal. ●La conception verticale de ce type d’éolienne impose qu’elle fonctionne avec un vent proche du sol, donc moins fort car freiné par le relief. ●Leur implantation au sol exige l’utilisation des tirants qui doivent passer au-dessus des pales, donc occupe une surface plus importante que l’éolienne à tour. I.5.2 Eoliennes à axe horizontal 12.

(25) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Ce sont les éoliennes actuellement les plus répandues sans doute à cause de leurs avantage remarquables, elles comportent généralement des hélices à deux ou trois pales face ou sous le vent [06] [07].. Figure.I.10 : technologie éolienne a axe horizontale [07]. I.5.2.1 Avantages ●Une très faible emprise au sol par rapport aux éoliennes à axe vertical. ●Cette structure capte le vent en hauteur, donc plus fort et plus régulier qu’au voisinage du sol. ●Le générateur et les appareils de commande sont dans la nacelle au sommet de la tour. Ainsi, il n’est pas nécessaire de rajouter un local pour l’appareillage. I.5.2.2 Inconvénient ●Coût de construction très élevé. ●L’appareillage se trouve au sommet de la tour ce qui gêne l’intervention en cas d’incident. Malgré ses inconvénients, cette structure est la plus utilisée de nos jours. Cependant, les structures à axe vertical son encore utilisé pour la production d’électricité dans les zones isolés. Elles sont de faible puissance destinées à des utilisations permanentes comme la charge des batteries par exemple [07]. Dans le reste de notre étude nous nous intéressons à la structure la plus répondue et la plus efficace à savoir celle à axe horizontal et à trois pales [07]. I.6 Constitution d’une éolienne moderne 13.

(26) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. La Fig. I.11 représente une chaîne électromécanique à multiplicateur de vitesse d’une éolienne moderne tripale à axe horizontal [11].. Figure. I.11 : différentes parties de l’éolienne [11] Elle est constituée d’une tour (17), supporte la nacelle (3) et le moyeu de la turbine (2) sur lequel sont fixées les pales (1). Il est important qu’il soit haut du fait de l’augmentation de la vitesse du vent avec la hauteur et aussi du diamètre des pales. La nacelle (3) partiellement accueille la génératrice (9) et son système de refroidissement (10), le multiplicateur de vitesse (6) et différents équipements électroniques de contrôle (12) qui permettent de commander les différents mécanismes d’orientation (13), (14), (15) ainsi que le fonctionnement global de l’éolienne. Le multiplicateur de vitesse comporte un arbre lent (5) muni d’un palier à billes, et un arbre à grande vitesse. Il est équipé d’un frein mécanique à disque (7) et un accouplement flexible (8) avec le générateur (9). Le tout est protégé par un capot en acier (16). Un anémomètre et une girouette (11) situés sur le toit de la nacelle fournissent les données nécessaires au système de contrôle pour orienter l’éolienne et la déclencher ou l’arrêter selon la vitesse du vent. Mais les multiplicateurs mécaniques ont leurs inconvénients, ils nécessitent une maintenance accrue et nuisent à la fiabilité surtout dans les grandes puissances. C’est la raison pour laquelle la tendance est à l’entraînement direct. La génératrice est alors une machine synchrone (rotor bobiné ou aimants) à très grand nombre de pôles et donc à fort couple massique [15]. Le fabricant allemand Enercon propose ainsi toute une gamme de telles machines de 200 kW à 4,5MW (phase de pré-industrialisation). La Fig. I.12 montre le schéma 14.

(27) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. de la nacelle d’une telle machine. Le diamètre de la nacelle est plus élevé mais sa longueur est plus courte. Ces génératrices, dont la vitesse de rotation et le nombre de pôles rendent impossible une connexion directe au 50 Hz, sont nécessairement alimentées par un convertisseur statique qui offre la possibilité d’un fonctionnement à vitesse variable [15].. Figure.I.12 : schéma d’une éolienne Enercon a entraînement direct,[15] 1: Alternateur discoïde 2: Convertisseurs électronique 3: Système de refroidissement 4: Système d’orientation. 15.

(28) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. I.7 Zones de fonctionnement de l’éolienne Compte tenu des informations précédentes, la courbe de puissance convertie d’une turbine, généralement fournie par les constructeurs, qui permet de définir quatre zones de fonctionnement pour l'éolienne suivant la vitesse du vent :. Figure. I.15 : Courbe de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent. est la vitesse du vent correspondant au démarrage de la turbine suivant les constructeur, varie entre 2,5m/s et 4m/s pour les éolienne de forte puissance ; est la vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la puissance nominale de la génératrice suivant les constructeurs,. varie entre 11,5m/s et 15m/s en. fonction des technologies ; la vitesse du vent au-delà de laquelle il convient de déconnecter l’éolienne pour des raisons de tenue mécanique en bout de pales. Pour la grande majorité des éoliennes, VM vaut 25m/s. Zone I :. <. :la vitesse du vent est trop faible, la turbine peut tourner mais l’énergie à. capter est trop faible. Zone II :. <. <. : Le maximum de puissance est capté dans cette zone pour chaque. vitesse de vent. Différentes méthodes existent pour optimiser l’énergie extraite. Cette zone correspond au fonctionnement à charge partielle. Zone III :. <. <. : La puissance disponible devient trop importante. La puissance. extraite est donc limitée, tout en restant le plus proche possible de la puissance nominale de la turbine (. ) Cette zone correspond au fonctionnement à pleine charge.. Il existe quatre voies principales pour limiter la puissance éolienne dans le cas de fortes. valeurs du vent. La première est une technique active assez coûteuse et complexe appelée système à pas variable « pitch » : elle est donc plutôt utilisé sur les systèmes à vitesse variable 16.

(29) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. de moyenne à fortes puissances (quelques centaines de kW). Elle consiste à régler mécaniquement la position angulaire des pales sur leur axe ce qui permet de décaler dynamiquement la courbe du coefficient de puissance de la voilure. La seconde technique est passive « stall ». Elle consiste à concevoir la forme des pales pour obtenir un décrochage dynamique du flux d’air des pales à fort régime de vent. Il existe aussi des combinaisons des deux technologies précédemment citées. La troisième façon de limiter la puissance est la déviation de l’axe du rotor dans le plan vertical (un basculement de la nacelle) ou une déviation dans le plan horizontal (rotation autour de l’axe du mat).Ainsi, la turbine n’est plus face au vent et la surface active de l’éolienne diminue [03].. Figure. 1.16 : Limitation de puissance éolienne, a) pitch, b) déviation verticale de l’axe de Rotation, c) rotation horizontale de l’axe de rotation, d) vitesse continûment Variable[03] I.8 modes d’exploitation de l’énergie éolienne Il existe essentiellement deux technologies d’éoliennes, celles dont la vitesse est constante et celles dont la vitesse variable. I.8.1 Fonctionnement à vitesse fixe Le générateur tourne à vitesse fixe ou varie très légèrement en jouant sur le glissement de la machine (seules les génératrices asynchrones sont utilisées dans ce cas). Deux génératrices asynchrones sont souvent utilisées dans ce type d’éoliennes. Un générateur dimensionné pour des faibles puissances correspondant à des vitesses de vent faibles et un générateur dimensionné pour des fortes puissances correspondant à des vitesses de vent plus élevés. Le problème majeur de cette solution est la complexité du montage qui augmente la masse embarquée. Une autre solution consiste à utiliser un câblage du stator qui peut être modifié afin de faire varier le nombre de pôles. Cette disposition permet également. 17.

(30) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. de proposer deux régimes de rotation l’un rapide en journée et l’autre plus lent la nuit permettant de diminuer le bruit [18]. a. Les avantages de la vitesse fixe ●Simplicité d’implantation [16]. ●Plus grande fiabilité [16]. ●Pas besoin de système électronique de commande [04]. ●Moins cher [16]. b. Les inconvénients de la vitesse fixe ●En vitesse fixe le maximum théorique de puissance n’est pas atteint [21]. I.8.2 Fonctionnement à vitesse variable Une interface de puissance adapte la fréquence des courants du générateur celle du réseau et permet ainsi de fonctionner à vitesse variable. Autrement dit, l’introduction des convertisseurs de puissance entre le générateur et le réseau donne lieu à un découplage entre la fréquence du réseau électrique et la vitesse de rotation de la machine électrique [18]. a. Les avantages de la vitesse variable ●Une meilleure exploitation de l’énergie du vent [16]. ●La réduction des oscillations du couple et des efforts mécaniques [16]. ●Il est possible d'augmenter la vitesse de rotation du rotor lors des rafales, tout en stockant l'énergie supplémentaire en forme d'énergie rotative jusqu'à la fin de la rafale. Cela requiert évidemment un système de contrôle très intelligent qui est en mesure de distinguer entre une vraie rafale et simplement des vitesses élevées du vent. De cette manière, on arrive à réduire le couple maximal [13]. b. Les inconvénients de la vitesse variable ●L'inconvénient principal du raccordement indirect au réseau est son coût. ●Convertisseur de puissance ≪complexe ≫[21]. ●Perte énergétique lors du processus de conversion CA-CC-CA. I.9 Les différentes chaînes de conversion d’énergie On peut regrouper les générateurs éoliens selon différentes catégories. Ils peuvent être classes selon : ●La nature du convertisseur électromécanique (machine synchrone, asynchrone, à courant continu…etc.). 18.

(31) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. ●La nature de l’accouplement mécanique (présence de multiplicateur de vitesse ou attaque directe). ●Le type de fonctionnement (vitesse fixe ou variable). ●Le type de capteur (à axe vertical ou horizontal). I.10 les générateurs utilisés dans le SCE éolienne. La technologie des aérogénérateurs a énormément évoluée ces 20 dernières années entraînant une spécialisation des différents types d’éolienne [19]. Différents types de machines électriques peuvent être utilisés pour la génération de puissance éolienne. Des facteurs techniques et économiques fixent le type de machine pour chaque application. Pour les petites puissances (< 20 kW), la simplicité et le coût réduit des générateurs synchrones à aimants permanents (PMSG) expliquent leur prédominance. Dans les applications de plus forte puissance, jusqu’à 2 MW environ [20] le générateur asynchrone est plus courant et économique [20] [08]. Les générateurs habituellement rencontrés dans les éoliennes sont présentés dans les paragraphes suivants : I.10.1 Systèmes utilisant la machine asynchrone Le générateur à induction est largement utilisé dans les turbines éoliennes de moyenne et grande puissance en raison de sa robustesse, sa simplicité mécanique et son cout réduit son inconvénient majeur est la consommation d’un courant réactif de magnétisation au stator [20] I.10.2 Systèmes utilisant la Générateur Synchrone à Aimants Permanents Les éoliennes basées sur une génératrice asynchrone à rotor bobiné présentent l’inconvénient de nécessiter un système de bagues et de balais et un multiplicateur, induisant des coûts significatifs de maintenance. Pour limiter ces inconvénients, certains constructeurs ont développé des éoliennes basées sur des machines synchrones à grand nombre de paires de pôles et couplées directement à la turbine, évitant ainsi le multiplicateur. Si de plus la génératrice est équipée d’aimants permanents, le système de bagues et de balais est éliminé. L'inconvénient de cette structure est qu'elle nécessite pour sa connexion au réseau, des convertisseurs de puissance dimensionnés pour la puissance nominale de la génératrice. Cet inconvénient est cependant un avantage du point de vue du contrôle de l'éolienne. En effet, l'interfaçage avec le réseau peut être entièrement contrôlé via le convertisseur connecté à ce réseau, tandis que le convertisseur connecté à la génératrice permet de contrôler la puissance générée par celle-ci en limitant le pitch control à une fonction de sécurité par grand vent. 19.

(32) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. L’utilisation des génératrices synchrones dans les applications éoliennes à grande puissance est récente. Deux types de génératrices sont utilisés, à bobinage inducteur ou à aimants permanents. Les génératrices synchrones à aimants permanents étaient, jusqu’ici, très peu utilisées principalement pour les raisons suivantes [18] : ●Prix relativement élevé des aimants (constitués de terres rares). ●Démagnétisation progressive découlant de l’utilisation de ces aimants en présence de champs magnétiques intenses régnant dans le générateur. Pour une puissance désirée, on a le choix entre une petite génératrice (à faible nombre de pôles) tournant à grande vitesse, ou une génératrice de grande dimension (présentant un grand nombre de pôles) mais tournant plus lentement. II.10.2.1 Types des machines synchrones Le rotor d’une machine synchrone se présente sous deux formes distinctes définissant ainsi deux familles de machines, à pôles lisses et à pôles saillants. ●Machines à pôles lisses Ce type de machines est caractérisé par un bobinage inducteur réparti dans des encoches fraisées dans la masse du rotor cylindrique, ces machines sont destinées à fonctionner à grande vitesse de rotation, elles sont à entrefer constant. ●Machine à pôles saillants Cette forme d’exécution est réalisable pour toute vitesse de rotation synchrone et toute puissance, ce type de machines comporte souvent hormis l’enroulement inducteur placé sur les pôles. Un enroulement logé dans des encoches circulaires semi-fermées disposées à la surface de l’épanouissement polaire, cet enroulement est appelé amortisseur. ●Machine synchrone à aimants permanents Cette machine comporte comme toutes les autres machines triphasées un stator bobiné, Mais, dans ce cas là (MSAP) le rotor est remplacé par des aimants, et ceci présente l’avantage d’éliminer le système balais bague, les pertes rotoriques ainsi que la présence d’une source d’alimentation afin de fournir le courant d’excitation, [22].. 20.

(33) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Figure. I.19 : rotor à aimant permanant[22]. I.10.3 Matériaux pour aimants On peut distinguer trois grandes catégories de matériaux utilisés pour la réalisation des aimants : Les alnico : sont les alliages de fer, d'aluminium, de nickel et de cobalt. Leur champ rémanent est élevé, mais leur excitation coercitive est faible, leur part de marché est assez réduite et leur coût est moyen. Les ferrites : sont des composés d'oxyde de ferrique et d'oxyde de strontium ou de baryum, leur champ rémanent n'est pas très élevé, mais leur excitation coercitive est importante, leur faible coût fait que les ferrites occupent aujourd'hui la majorité du marché des aimants. Les composés de cobalt et de terres rares : ces matériaux ont d'excellentes performances techniques, leur champ rémanent et leur excitation coercitive sont élevés, leur inconvénient reste le coût important (par exemple le samarium).. I.10.4 Emplacement des aimants Différentes configurations d’emplacement des aimants sont possibles (Fig. II.4). Chacune a ses avantages et ses inconvénients. En règle générale, les aimants en surface ont l’avantage d’être simples à mettre en place (un simple collage sur la surface du rotor suffit). A haute vitesse, cette configuration n’est pas adaptée car avec la force centrifuge, les aimants vont se décoller. Pour remédier à ce problème, il est préconisé de recourir soit a un rotor extérieur avec aimants en surface (les aimants étant plaqués à la surface grâce à la force centrifuge) soit à fretter les aimants. En plus de supprimer les problèmes de décollement à haute vitesse, les aimants enterrés peuvent être utilisés en concentration de flux. Ainsi, leur utilisation est optimisée. A noter qu’en plaçant les aimants de cette manière, les courants de Foucault dans les aimants sont diminués, [23].. 21.

(34) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. Figure I.20 : Quelques configurations du placement des aimants [23]. Aujourd’hui, la plupart des machines synchrones utilisées dans l’éolien sont des machines synchrones à aimants permanents (MSAP). Par rapport à la machine à excitation, la MSAP a un meilleur rendement et un couple massique plus important. L’inconvénient de la MSAP, réside dans le prix élevé des aimants terre rare (assemblage). On distingue généralement, [24], [25]: ●Machine synchrone à flux radial La plupart de ces machines sont à rotor intérieur. Ce type de machine permet d’avoir de bonnes performances sur une grande plage de variation de vitesse de rotation. ●Machine synchrone à flux axial Pour les applications basse vitesse, la structure de la machine axial reste compacte alors que la machine radial tend vers une structure creuse. Ceci conduit à un couple volumique plus important pour la machine à flux axial. ●Machine synchrone à flux transverse: La machine à flux transverse est une technologie nouvelle et intéressante. Il existe plusieurs topologies mais la plus pertinente utilise des aimants permanents avec concentration du flux. Cette dernière semble bien adaptée à la vitesse variable à l’entraînement direct mais elle a été étudiée surtout en moteur. I.10.5 Domaine d’application de MSAP La machine synchrone à aimants permanents est utilisée largement dans plusieurs applications comme les machines à outils, la robotique, les générateurs aérospatiaux, la traction électrique, [26], avec un large gamme de puissance, allant de centaines de Watts (servomoteur) à plusieurs méga Watts (système de propulsion des navires), dans des applications aussi diverses que le positionnement, la synchronisation l’entrainement à vitesse variable, et la traction, [27]. ●Elle fonctionne comme compensateur synchrone. ●Elle est utilisée pour les entrainements qui nécessitent une vitesse de rotation constante, tels que les grands ventilateurs, les compresseurs et les pompes centrifuges, et grâce au 22.

(35) Chapitre I. généralité sur un système éolienne. développement de l’électronique de puissance. L’association machine à aimants convertisseur de puissance a trouvé de nombreuses applications dans les domaines très divers tels que la robotique, la technologie de l’espace et dans d’autres applications plus particulières (domestique,...), [27]. I10.6 Avantage et inconvénients de GSAP La génératrice synchrone à aimants permanents qui offre un grand nombre d’avantages, [28]: a. Avantages des génératrices synchrones : ●Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens. ●Absence de boîte de vitesse. ●Fonctionnement a vitesse variable sur toute la plage de vitesse. ●Une haute efficacité énergétique. ●Une grande fiabilité. ●Une simplicité de mise en œuvre. b. Inconvénients des génératrices synchrones : ●Machine spécifique. ●Prix de l’électronique de puissance dimensionnée au moins à 100% de la puissance nominale. ●Grand diamètre de la machine. I.11 Conclusion Ce chapitre nous a permis de dresser un panel de solutions électrotechniques possibles pour la production d'énergie électrique grâce à des turbines éoliennes. Après un rappel de notions nécessaires à la compréhension du système de conversion de l'énergie éolienne, différents types d'éoliennes et leur mode de fonctionnement ont été décrits. Et par la suite des machines électriques utilisés pour la conversion d’énergie mécanique à l’énergie électrique. 23.

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(37) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. II.1-Introduction Pour avoir un modèle globale de la chaîne de conversion, il est nécessaire de modéliser chaque élément constituant ce système individuellement. Dans ce chapitre nous allons proposer un model du vent qui va être la source d’énergie qui entraînera notre turbine, La turbine tripale qui récupère l’énergie du vent et la transforme en énergie mécanique disponible sur le rotor sera par la suite modélise et simulé. Dans la chaîne de conversion de l’énergie éolienne, la turbine et la génératrice sont les éléments les plus importants, puisque la turbine assure une transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique qui permet de fait tourner le rotor de la génératrice et cette dernière est la composante qui assure la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Dans ce travail nous choisissons d’utiliser un système éolien de type Tripale avec une génératrice synchrone à aimant permanent (GSAP) La turbine étudiée comprend trois pales orientables et de longueur R. Elles sont fixées sur un arbre d'entraînement, tournante et cet arbre est fixé directement sur le rotor de la génératrice synchrone à aimants permanents.. Figure II.1 : éolienne tripale.. 24.

(38) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. II.2-Modélisation de l’éolienne L’éolienne est un élément tridimensionnel, ayant des formes complexes, en mouvement et plongée dans un flux d’air. Toutefois, et c'est un point important, le modèle en question doit décrire la dynamique mécanique réelle de la voilure, et non pas uniquement le comportement quasi-statique. Une voilure éolienne transforme l’énergie de la masse d’air en mouvement et délivre une puissance mécanique caractérisée par la vitesse de rotation et le couple mécanique.. Figure II.2 : Modélisation de la partie mécanique de l’éolienne Le système éolien dans notre cas, est constitué mécaniquement de trois organes [13]: ●Trois pales orientables possédant des coefficients propres d’inertie, d’élasticité et de frottement par rapport à l’air et par rapport au support de la turbine. ●Un arbre d’entraînement des pales avec sa propre inertie. ●Un rotor de génératrice possédant une inertie et un coefficient de frottement. II.2.1 modélisation de la partie mécanique de l’éolienne. II.2.1.1 Modélisation de la vitesse du vent (Source primaire) Le vent est la raison d’être des aérogénérateurs, son énergie cinétique constitue la source primaire d’énergie. Le vent est en fait le champ de vitesse de déplacements de masse d’air caractérisé par sa vitesse et sa direction qui son affectées par plusieurs facteurs, en particulier le phénomène de cisaillement et l’effet d’obstacle de la tour [7] La modélisation du vent est primordiale que ce soit pour : -définir les conditions de fonctionnement de l’éolienne. -définir les sollicitations qui s’appliquent sur les pales. -développer et affiner la modélisation du rotor. 25.

(39) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. -évaluer le potentiel d’énergie utilisable. -fournir une aide pour l’implantation des machines. La définition du modèle du vent nécessite des données climatique et géographique du lieu concerné, ainsi que la période d’étude. Le modèle du vent est données par une représentation en série de fourrier qui présent le vent comme un signal constitué par une superposition de plusieurs harmonique est données par la relation suivant : ( )=. Avec :. +∑. sin(. )[28]. (II.1). A : la valeur moyenne de la vitesse du vent. ∶ Amplitude de l’harmonique de l’ordre K.. :. : Pulsation de l’harmonique de l’ordre K.. Rang du dernier harmonique retenu dans le calcul du profil du vent... II.2.1.2-Modélisation de la turbine éolienne L’éolienne capte l'énergie cinétique du vent et la convertit en un couple qui fait tourner les pales du rotor. Trois facteurs déterminent le rapport entre l'énergie du vent et l'énergie mécanique récupérée par le rotor : la densité de l'air, la surface balayée par le rotor et la vitesse du vent. La densité de l’air et la vitesse du vent sont des paramètres climatologiques qui dépendent du lieu [15]. La puissance récupérable de l’éolienne est donnée par l’expression : P. =. ρ×π×. Avec :. ×. × C (λ, β). (II.2). Coefficient aérodynamique de la puissance de la turbine. : la densité de l’air (approximer à 1.22Kg/. à la pression de 15. R : le rayon de la pale.. ).. V : la vitesse du vent. La vitesse de ration est définie comme le rapport entre la vitesse linéaire des pales et la vitesse du vent. λ=. ×. : la vitesse de rotation de la turbine.. (II.3). 26.

(40) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. Le couple aérodynamique (couple de la turbine éolienne) : =. =. ( , )×. × ×. ×. La figure ci-après montre l’allure de à 3 pales. Et pour cela. =0.48 et λ. ×Ω. (II.4). en fonction de. pour une éolienne à axe horizontale. =8.1.. 0.5 0.45 0.4 0.35. Cp. 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0. 0. 2. 4. 6. lamda. 8. 10. 12. 14. Figure II.3 :l’évolution de coefficient de puissance en fonction de vitesse de ration Les équations dynamique du l’arbre :. Figure II.4 : la turbine éolienne [29] La masse de la turbine éolienne est reporté sur l’arbre sous la forme d’une inertie notée J=J. est comprend la masse des pales et la masse du rotor de la turbine. Le modèle. mécanique proposé considéré l’inertie totale J constitue de l’inertie de la turbine reportée sur le rotor de la génératrice et l’inertie de cette dernière [29]. J=J. +J. é é. [29]. (II.5). Il set à noter que l’inertie du rotor de la génératrice est très faible par rapport à l’inertie de la turbine reporté par cet axe. 27.

(41) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. L’équation fondamentale de la dynamique permet de déterminer l’évolution de la vitesse mécanique à partir du couple mécanique totale C J. Ω. =C. C. = −C. C. : Le couple mécanique.. appliqué au rotor :. −C. (II.6) (II.7). J : l’inertie totale qui apparait sur le rotor de la génératrice.. C C. : Le couple électromagnétique produit parle génératrice.. : Le couple de frottement visqueux.. Le couple résistant du aux frottements est modélisé par un coefficient de frottement visqueux f tel que : C. =f ×Ω. La modélisation d’une turbine éolienne revient a connaitre le couple qu’elle développe au niveau du rotor, et qu’elle extrait de la puissance éolienne, suivant ces équation [30] : P. λ=. = × C (λ) × ρ × S × V [31]. (II.8). ×Ω. Cé = × ρ × π × R × V ×. (II.9). (λ). (II.10). λ. A fin d’obtenir la vitesse de rotation de la turbine, on utilise l’équation mécanique de l’arbre de la turbine solidairement lié a celui de la machine synchrone utilisée : (J + J ). Ω. = Cé − C. P : La puissance éolienne.. − (f × Ω. ). (II.11). λ: La vitesse relative de la turbine. Ω. : La vitesse de rotation.. V : La vitesse du vent. ρ: La densité de l’air.. C : Le coefficient de puissance. Cé : Le couple éolienne. J : L’inertie de la turbine.. J : L’inertie de la machine. C. ∶ Le couple électromagnétique.. 28.

(42) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. f : Coefficient de frottement visqueux dans la machine.. Rq : le coefficient de frottement visqueux dans la turbine est négligeable. II.2.2-Modélisation de la partie électromécanique de l’éolienne II.2.2.1Modélisation de la MSAP La structure électrique d’une MSAP triphasée est constitue au stator d’une enroulement triphasée représentée par les trois axes (a,b,c) décalé, l’un par rapport à l’autre, d’un angle de 120 électrique, ainsi que l’illustre la fig. II.2, et au rotor des aimant permanents assure sont excitation.. Figure II.5 : représentation d’une MSAP dans le repère (a,b,c) Les équations électriques ⎧V =R ×I + ⎪ V =R ×I + ⎨ ⎪ V = R ×I + ⎩. ∅. ∅. (II.12). ∅. Figure II.6 : Structure électrique du stator d’une MSAP[31] 29.

(43) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. Les équations du flux ∅ = L × I + M × I + M × I + ∅ cos(θ) ⎧ ∅ = × + × + × + ∅ cos θ − ⎨ ⎩ ∅ = M × I + M × I + L × I + ∅ cos θ −. π. (II.13) π. II.2.2.2 modèle biphasé de la GSAP dans le référentiel généralisé La modélisation de cette machine nécessite aussi comme toute autre machines triphasé de passer du système d’axe triphasé (réel) au système d’axes biphasés (et réciproquement). Pour cela on utilise la transformation de Park suivantes : X X X. X X X. X = [P(θ)] × X X = [P(θ)]. (II.14). X × X X. (II.15). Où : X , X , X : les valeurs instantanées des grandeurs triphasées. X , X : les valeurs instantanées des grandeurs biphasées.. X : la composante homopolaire.. [P(θ)]: la matrice directe de Park. [ ( )] : la matrice inverse de Park.. Les matrices de Park modifiées (matrices orthogonales) sont données ensuite : ⎡ cos θ ⎢−sin( θ) ⎢ ⎢ ⎣ √. [P(θ)] =. [ ( )] Avec. =. π. π. cos(θ − ). cos(θ + ) ⎤ π π − sin(θ − ) − sin(θ + )⎥⎥ ⎥ ⎦ √ √. cos −sin( ) ⎡ ⎢ ⎢cos( − )) − sin( − ) ⎢ ⎣ cos( + ) − sin( + ). √ √ √. ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦. est l’angle entre d et l’axe de référence dans le système triphasé. 30. (II.16). (II.17).

(44) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. La figure (II.4) représente schématiquement les enroulements de la GSAP selon le repère de Park généralisé (d,q).. Figure II.7 : représentation des enroulements de la GSAP selon (d,q) [32]. Les systèmes d’équations différentielles de la GSAP suivant le référentiel de Park généralisé sont: -équations électrique V = −R × I − V = −R × I −. ∅ +W×∅. (II.18). ∅ +W×∅. -équations des flux magnétique ∅ =L ×I +∅ ∅ =L ×I. (II.19). II.2.2.3 Modélisation biphasé en charge de la GSAP Dans notre cas d’étude nous allons modéliser la génératrice en charge, pour cela on suppose que la génératrice alimente une charge électrique (R , I ), Pour avoir les tensions et courants résultant de l’application de cette charge sur la génératrice, on applique d’une part, les tensions données par V = −R × I − L × V = −R × I − L. I +W×L ×I. I −W×L ×I +W×∅. (II.20). D’autre part, l’application des tensions V et V sur la charge donne : V =R. V =R. ×I +L. ×I +L. ×. I −W×L. I +W×L. ×I. ×I. (II.21) 31.

(45) Chapitre II. modélisation d’un système éolienne. En Remplaçant les expressions de V et V dans (II.19) en aura le système suivant : 0 = −(R + R ) × I − (L + L ) × 0 = −(R + R ) × I − L + L. ×. I +W L +L. ×I. I + W(L + L ) × I + W × ∅. (II.22). Et en fin en introduisant la transformation de Laplace dans les équations ci-dessus, elles deviennent : −(R + R ) × I + W(L + L ) × I. SI =. −(R + R ) × I − W(L + L ) × I + W × ∅. SI =. (II.23). Ou S : est l’opérateur de Laplace.. Expression du couple électromagnétique et de la vitesse rotorique. L’expression du couple électromagnétique est définie par l’équation suivant : C. = P L −L. C. =P I ×∅. J×. Ω. Et comme. =. ×I ×I +I ×∅. (II.24). on aura :. (II.25). L’équation mécanique est : −f×Ω=C −C. (II.26). J × PΩ − f × Ω = C − C. (II.27). Ω=. (II.29). Ω(JP − f) = C − C × (C − C. (II.28). ). II.3 Modélisation de l’onduleur de tension L'onduleur de tension transforme en tension alternative triphasée une tension continue. Il impose une forme de tension déterminée à la machine quelque soit le courant absorbé et travaille en commutation forcée. Une commande adéquate permet le réglage de la fréquence et de l'amplitude des grandeurs de sortie. L’onduleur triphasé est constitué d’interrupteurs bidirectionnels en courant. Ils sont réalisés par des semi-conducteurs commandés à l’ouverture et à la fermeture (de type IGBT dans la majorité des cas) montés en antiparallèle avec une diode. Pour cette structure, on doit respecter les contraintes suivantes : 32.