Présenté par : Roummani Khayra. Contribution à des commandes robustes à des sources d énergie nouvelle et à leur connexion aux réseaux électriques

فايضوب دمحم ايجولونكتلا و مولعلل نارهو ةعماج

Présenté par : Roummani Khayra

Contribution à des commandes robustes à des sources d’énergie nouvelle et à leur connexion aux réseaux électriques

Année Universitaire : 2019/2020

Membres de Jury Grade Qualité Domiciliation

- BENOUZZA Noureddine Professeur Président ^USTO-MB

- HAMOUDA Messaoud Professeur Encadrant UAD-Adrar

- BENDJEBBAR Mokhtar Professeur Co-Encadrant USTO-MB

- ZEMALACHE MEGUENNI Kadda Professeur

Examinateurs

USTO-MB

- DJAHBAR Abdelkader Professeur UHBC-Chlef

- HELAIMI M’Hamed MCA UHBC-Chlef

Devant le Jury Composé de :

Faculté : Génie électrique Département : Electrotechnique Spécialité : Electrotechnique Option : Commande électrique

عضاوتملا لمعلا اذه يدها ىلإ يتلاسر مامتإ يف ارابج ادوهجم يعم لذب يذلا

ىلإ هلهأ نيب محر ملعلا نأ هنم تملعت نم

ىلإ لباقم لاب ءاطعلا هنم تملعت نم

ىلإ هعضاوت داز هملع داز نم نأ هنم تملعت نم

سنوي نب يرازم ذاتسلأا حور ىلإ همحر

الله مأ ل ة املعو اعفن هب الله لعجي نأ

لعجي نأو هب عفتني هلامعأ

ةقدص

.هتانسح نازيم يف ةيراج

Remerciements

Remerciements

Ce document présente les travaux effectués dans le cadre de ma thèse de Doctorat au sein du Laboratoire de Développement des Entrainements Electriques LDEE de la faculté de génie électrique à l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed-Boudiaf USTO-MB.

Avant tout, je remercie mon DIEU le Tout-puissant de m’avoir donné le courage, la volonté, la patience et la santé durant toutes ces années d’études et

que grâce à lui ce travail a pu être réalisé.

Je voudrai exprimer ma profonde gratitude à mon encadreur Monsieur Hamouda Messaoud, pour ses encouragements, son suivi continuel ainsi que sa rigueur et ses précieux conseils. Sans sa perspicacité et son appui, il aurait

été impossible de mener à bien ce travail. Ses connaissances et son expérience resteront pour moi une source constante de savoir. J’ai une dette de

reconnaissance envers lui.

Je voudrais aussi à remercier Monsieur Bendjabbar Mokhtar pour avoir accepté d’être Co rapporteur de cette thèse ainsi que pour ces nombreux

conseils

Mes remerciements vont aussi à Messieurs Benouzza Noureddine, Zemalache Meguenni Kadda, Djahbar Abdelkader, Helaimi M’Hamed de

m’avoir fait l’honneur d’accepter d’être les examinateurs de ce mémoire.

Dadi Rachida qui M

et ndouci Khadidja e

K Je tiens à remercier aussi M

ont contribués à l’aboutissement de ce travail.

Nombreux sont celles et ceux qui nous ont apporté aide et encouragements au cours de la préparation de ce mémoire. Qu’ils en soient tous chaleureusement

remerciés.

ROUMMANI Khayra

Dédicace

Je dédie mon travail avant tout à mes chers Parents qui m'ont soutenu pendant toute la durée de ces longues études, « Que

Dieux me les protègent ».

À Mes chers Frères et Soeurs.

Spéciale dédicace au mon mari BAKKI MOHAMED et mes petites fillettes RAGHAD et BOUCHRA

A la mémoire de mon oncle SBAI TAIB, qui a été toujours dans mon esprit et dans mon cœur, Que Dieu, le miséricordieux, vous accueille dans son

éternel paradis .

.

Résumé Résumé :

Cette thèse traite l’étude, la modélisation et la commande d’un système éolien à axe vertical à attaque direct à base d’une génératrice asynchrone à double alimentation GADA et d’un système photovoltaïque connecté au réseau. Un modèle a été établi pour chaque composant de système éolien (Turbine, GADA et cascade redresseur –onduleur) et de système photovoltaïque (GPV, Hacheur, onduleur et réseau). Un dispositif MPPT est introduit pour chaque système en vue d’obtenir un rendement énergétique maximal. Ce document dresse aussi deux types de commande pour le réglage des puissances du GADA ; la commande vectorielle direct et indirect, et la commande non linéaire basée sur la théorie des modes glissants et la méthode backstepping appliquée au convertisseur côté machine. De plus, nous avons proposé la technique P&O et la commande floue pour extraire le maximum de puissance photovoltaïque. Les résultats de simulation obtenus ont permis d’évaluer les performances des techniques de commandes proposées à savoir le suivi de référence, la robustesse…etc.

Mots clés :

Eolien à axe vertical à attaque direct, Machine Asynchrone à Double Alimentation, Commande vectorielle, Mode glissant, Backstepping, Système photovoltaïque, MPPT P&O, Logique floue, Réseaux électrique.

Abstract:

This thesis deals with the study, modeling, and control of a direct-drive vertical axis wind turbine system based on a doubly fed induction generator (DFIG) and a grid-connected photovoltaic system. A model has been established for each component of the wind turbine system (Turbine, GADA, and cascade rectifier – inverter) and photovoltaic system (PVG, boost, inverter, and grid). An MPPT device is introduced for each system to achieve maximum energy efficiency. This document also sets out two types for DFIG powers control;

a direct and indirect vector control, and a nonlinear control based on sliding mode theory and backstepping method applied to the machine side converter. In addition, we have proposed the P&O technique and fuzzy control to extract the photovoltaic maximum power. The simulation results obtained made it possible to evaluate the performance of the proposed control techniques, namely reference tracking, robustness..., etc.

Key words:

Direct-Drive Vertical Axis Wind Turbine, doubly fed induction generator, Vector Control, Sliding Mode, Backstepping, Photovoltaic system, MPPT P&O, Fuzzy logic, Grid.

صخلم

،ةساردلا ةحورطلأا هذه لوانتت ةجذمنلا

يسأرلا روحملا تاذ حايرلا تانيبروت ماظن يف مكحتلاو دلوم ساسأ ىلع رشابملا

ةيذغتلا يئانث ينمازتلا ةيئابرهكلا ةكبشلاب لصتملا يئوضورهكلا ماظنلا و

نم نوكم لكل جذومن ءاشنإ مت . ماظن تانوكم

حايرلا تانيبروت دلوملا ,ةنيبروتلا(

ماظنلاو )لوحملاو ، يئوضورهكلا

يئوضورهكلا دلوملا(

، لوحملا ميدقت متي .)ةكبشلاو

زاهج MPPT هذه ددحت .ةقاطلا ةءافك نم ردق ىصقأ قيقحتل ماظن لكل

ةحورطلاا نم نيعون اًضيأ

ةعاطتسا يف مكحتلا

دلوملا ؛ لازنلاا عضو ةيرظن ىلع مئاقلا يطخلا ريغ مكحتلاو ،رشابملا ريغلاو رشابملا يعاعشلا مكحتلا معدلا ةقيرطو ق

دلوملا بناج لوحملا ىلع ةقبطملا يفلخلا لذ ىلإ ةفاضلإاب .

، ك انمدق ةينقت P&O ردق ىصقأ جارختسلا يبابضلا مكحتلاو

، ةحرتقملا مكحتلا تاينقت ءادأ مييقت اهيلع لوصحلا مت يتلا ةاكاحملا جئاتن تحاتأ .ةيئوضورهكلا ةقاطلا نم ، عجرملا عبتتك

ةناتملا ذ ىلإ امو كل

.

ةيحاتفملا تاملكلا

، رشابملا يسأرلا روحملا تاذ ةيحيرلا تانيبروتلا

ةيذغتلا يئانث ينمازتلالا دلوم ، يقلازنلاا مكحتلا ،يعاعشلا مكحتلا ،

ةقيرط Backstepping

، يئوضورهكلا ماظنلا ،

MPPT P&O ،يبابضلا مكحتلا ،

ةيئابرهكلا ةكبشلا .

Liste des Notations et Symboles

NOTATIONS

Acronyme Signification HAWT

VAWT H-DWT

DDVAWT MADA

GADA DFIG MAS MS MCC MLI IGBT PI MPPT RMG PV GPV STC DC AC P&O RLF

Horizontal Axis Wind Turbines Vertical Axis Wind Turbine H-Darrieus Wind Turbine

Direct Drive Vertical Axis Wind Turbine Machine Asynchrone à Double Alimentation Génératrice Asynchrone à Double Alimentation Doubly Fed Induction Generator

Machine Asynchrone Machine Synchrone

Machine à Courant Continue Modulation de Largeur d’Impulsion Insulated Gate Bipolar Transistor Proportionnel Intégral

Muximun Power Point Tracker Régulateur Mode Glissant Photovoltaïque

Générateur Photovoltaïque Standard Test Conditions Direct Current

Alternating Current Perturb and Observe

Régulateur par la Logique Floue

LISTE DES SYMBOLES

Les principales notations utilisées dans cette thèse sont explicitées ci-dessous, sous leur forme la plus couramment employée dans le domaine du génie électrique.

F Vecteur force exercée sur les pales d'une éolienne à incidence variable.

ρ Densité de l'air.

S Surface balayée par le rotor de l'éolienne.

R Rayon du rotor éolien.

m Masse d'air traversant le rotor éolien.

Pm Puissance extraite par le rotor éolien.

P

 Le ratio de vitesse

turbine



Pmec Puissance mécanique disponible sur l'arbre de la génératrice.

g Glissement d'une machine asynchrone.

fs, fr Fréquence statorique et rotorique.

Rs, Rr Résistance d'une phase statorique et rotorique.

Ls, Lr Inductances cycliques statorique et rotorique.

M Inductances mutuelles

I Courant électrique.

Cem , Cr , Cf Couple électromagnétique, couple résistant et coule de frottement.

J Moment d'inertie de la machine.

p Nombre de paires de pôles de la MADA.

Vs Module du vecteur tension statorique.

Vred Tension redressé.

Vs A,B C , Vr a,b,c Tensions triphasées statoriques et rotoriques de la machine asynchrone.

I s A,B C , I r a,b,c Courants triphasées statoriques et rotoriques de la machine asynchrone.

φ_s,φ_r Flux statoriques et rotoriques de la machine asynchrone.

Vsd,Vsq,Vrd,Vrq Tensions statoriques et rotoriques diphasées dans un repère tournant.

Isd,Isq,Ird,Irq Courants statoriques et rotoriques diphasés dans un repère tournant.

φ_sd,q,φ_rd,q Flux statoriques et rotoriques diphasés dans un repère tournant.

Ps , Qs Puissances active et réactive statoriques de la MADA.

Pref , Qref Puissances électriques de références de la MADA.

Kp, Ki Gains proportionnel et intégral du régulateur PI.

Icc Courant de court-circuit PMP Puissance Maximale

VMP Tension au point de puissance maximale IMP Courant au point de puissance maximale VOC Tension de circuit ouvert

ISC Courant de court-circuit Rs Résistance série

Rsh Résistance parallèle

Liste des Figures

LISTE DES FIGURES

PARTIE I ENERGIE EOLIENNE

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes Fig.I.1. Photographie de deux moulins à vent Fig.I.2. Photographie d'un moulin à voile

Fig.I.3. Evolution des dispositifs éoliens de l’Antiquité à nos jours Fig.I.4. Carte des vents de l’Algérie à 10 m d’altitude (m/s) Fig.I.5. Coefficient de puissance pour différents types d’éoliennes Fig.I.6. Les différents types d'éoliennes verticales

Fig.I.7. Effet du vent sur un corps creux Fig.I.8. Incidence variable

Fig.I.9. La tour Fig.I.10. La nacelle

Fig.I.11. Caractéristique puissance vitesse d’une éolienne Fig.I.12. Turbine de type H-Darrieus

Fig.I.13. Structure du stator et des contacts rotoriques de la MADA

Fig.I.14. Bilans simplifiés des transferts d’énergie dans une machine à double alimentation lorsque la vitesse varie de la moitié au double de Ω

Fig.I.15. Comparaison de zone de fonctionnement en survitesse sans démagnétisation : machine à cage et MADA

Fig.I.16. Représentation d’un fonctionnement avec démagnétisation d’une MADA

Chapitre II Modélisation de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne Fig.II.1. Système mécanique de l’éolienne à attaque direct

Fig.II.2. Modèle à deux masses du couplage mécanique entre l’aéroturbine et le générateur Fig.II.3. Représentation de la structure de principe de la MADA triphasée

Fig.II.4. Modèle de PARK de la MADA

Fig.II.5. Position spatiale des différents référentiels

Fig.II.6. Représentation des enroulements fictifs d’axes d et q Fig.II.7. Représentation du redresseur triphasé

Fig.II.8. Schéma simplifié de l'onduleur triphasé

Fig.II.9. Principe et réponses de la commande MLI sinus-triangle

9 9 10 11 14 15 15 16 17 18 21 22 23 25 26 26

32 34 36 39 40 42 45 47 50

Fig.II.10. Schéma global du système éolien(turbine_GADA).

Fig.II.11. Tension de l’onduleur Fig.II.12. Cas d’une vitesse fixe Fig.II.13. Cas d’une vitesse variable

Chapitre III Commande Linéaire de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne Fig.III.1. Schéma bloc de la maximisation de la puissance

Fig.III.2. Orientation du flux statorique sur l'axe d Fig.III.3. Schéma bloc de la GADA à réguler

Fig.III.4. Schéma de principe de la commande vectorielle directe Fig.III.5. Schéma bloc de la commande vectorielle directe Fig.III.6. Régulation par un PI

Fig.III.7. Schéma bloc de la commande indirecte sans boucle de puissance Fig.III.8. Schéma bloc de la commande indirecte avec boucle de puissance Fig.III.9. Système régulé par un PI

Fig.III.10. Les resultats de simulation de la commande vectorielle direct sans onduleur Fig.III.11. Les resultats de simulation de la commande vectorielle direct avec onduleur

Fig.III.12. Les resultats de simulation de la commande vectorielle indirect sans onduleur Fig.III.13. Les resultats de simulation de la commande vectorielle indirect avec onduleur Fig.III.14. Comparaison entre la commande vectorielle directe et indirecte

Chapitre IV Commande Non Linéaire de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne Fig.IV.1. Trajectoires de

f

Fig.IV.2. Les modes de trajectoire dans le plan de phase Fig.IV.3. Linéarisation exacte de l’écart

Fig IV.4. Trajectoire de l’état vis-à-vis la surface de glissement Fig.IV.5. Commande appliquée aux systèmes à structure variable

Fig.IV.6. La valeur continue u_eq prise par la commande lors de la commutation entre

u

u

Fig.IV.7. Représentation de la fonction « SIGN » Fig.IV.8. Fonction « SAT »

Fig.IV. 9. Fonction « SMOOTH »

51 52 54 55

59 60 61 64 65 65 67 68 68 72 74 76 78 79

84 85 86 87 88 89 90 91 91

Liste des Figures

Fig.IV.10. Schéma bloc de la commande par mode glissant de la GADA

Fig.IV.11. Les résultats de simulation de la commande par mode glissant sans onduleur Fig.IV.12. Les résultats de simulation de la commande par mode glissant avec onduleur

Fig.IV.13. Les résultats de simulation de la commande par la méthode backstepping sans onduleur

Fig.IV.14. Les résultats de simulation de la commande par la méthode backstepping avec onduleur

PARTIE II ENERGIE SOLAIRE

Chapitre I Généralités sur les Systèmes Photovoltaïques Fig.I.1. Analyse spectrale du rayonnement solaire

Fig.I.2. Différents types de rayonnement solaire Fig.I.3. Schéma d'une jonction PN

Fig.I.4. Schéma d'une cellule photovoltaïque

Fig.I.5. Caractéristique courant-tension (I–V) d’une cellule Fig.I.6. Les principaux types de cellule

Fig.I.7. Cellule, module, panneau et champ photovoltaïque

Fig.I.8. Cellules solaires connectées en série et leur caractéristique courant-tension Fig.I.9. Cellules solaires connectées en parallèle et leur caractéristique courant-tension Fig.I.10. Association mixte des cellules et leur caractéristique courant-tension

Fig.I.11. Protection des modules photovoltaïques

Fig.I.12. Les différentes zones de la caractéristique I (V), (T=25°C, Es=1000W/m²)

Fig.I.13. Influence de la variation de l’éclairement sur la caractéristique I-V à température constante

Fig.I.14. Influence de la variation de l’éclairement sur la caractéristique P-V à température constante

Fig.I.15. Caractéristique I-V en fonction de la température Fig.I.16. Caractéristique P-V en fonction de la température Fig.I.17. Système photovoltaïque autonome avec stockage Fig.I.18. Système photovoltaïque connecté au réseau électrique

94 101 103 105 107

112 113 114 115 116 116 117 118 118 119 119 120 121 121 122 122 123 124

Chapitre II Modélisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau Fig.II.1. Structure d'étude de la chaine photovoltaïque

Fig.II.2. Schéma électrique équivalent d’une cellule photovoltaïque (une diode) Fig.II.3. Schéma électrique équivalent d’une cellule photovoltaïque (deux diodes)

Fig.II.4. Histogramme représentant l’erreur sur le courant, la tension et la puissance pour les différents modèles pour un fort ensoleillement

Fig.II.5. Histogramme représentant l’erreur sur le courant, la tension et la puissance pour les différents modèles pour un moyen ensoleillement

Fig.II.6. Histogramme représentant l’erreur sur le courant, la tension et la puissance pour les différents modèles pour un faible ensoleillement

Fig.II.7. Caractéristiques I-V etP-V de module PV proposé à 25°C et 1000W/m² Fig.II.8. Caractéristiques I-V etP-V de panneau PV à 25°C et 1000W/m²

Fig.II.9. Influence de l’irradiation sur les caractéristiques I-V et P-V Fig.II.10. Influence de la température sur les caractéristiques I-V et P-V Fig.II.11. Schéma d’un hacheur survolteur (boost)

Fig.II.12. Circuit électrique équivalent de la séquence de conduction Fig.II.13. Structure d'un onduleur triphasée

Fig.II.14. Schéma de simulation de réseau électrique

Chapitre III Optimisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau Fig.III.1. Recherche et recouvrement du Point de Puissance Maximal

Fig.III.2. Caractéristique PPV (VPV) d’un panneau solaire Fig.III.3. Algorithme type de la méthode P&O

Fig.III.4. Divergence de la commande P&O lors de variations d’irradiation Fig.III.5. Exemple de fonctions d’appartenance

Fig.III.6. Structure d’une commande floue

Fig.III.7. Fonctions d’appartenance des entrées et de sortie Fig.III.8. Tension de générateur photovoltaique

Fig.III.9. Tension du bus continu Fig.III.10. Rapport cyclique Fig.III.11. Puissance du GPV Fig.III.12. Puissance active Fig.III.13. Puissance reactive

127 128 130 130 131 132 133 134 135 135 137 137 138 139

143 144 145 146 147 148 149 152 152 152 153 153 153

Liste des Figures

Fig.III.14. Changement rapide de l’éclairement solaire Fig.III.15. Changement rapide de la température Fig.III.16. Tension du bus continu

Fig.III.17. Puissance active Fig.III.18. Puissance reactive

ANNEXES

Fig.A.1. Procédure de dimensionnement analytique d'une MADA Fig.A.2. Conception de H-DWT dans SOLIDWORKS

Fig.A.3. Conception de MADA

Fig.A.4. Schéma bloc de modèle de système éolien en SIMULINK Fig.B.1. Exemple de la rose des vents

Fig.B.2. Exemple de la distribution de Weibull

154 155 155 155 156

176 177 178 178 180 181

Liste des Tableaux

PARTIE I ENERGIE EOLIENNE

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

Tableau I.1. Consistance du programme des énergies renouvelables Tableau I.2. Avantages et inconvénients des génératrices

Chapitre II Modélisation de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne Tableau II.1. Etablissement des expressions des tensions simples et composée

PARTIE II ENERGIE SOLAIRE

Chapitre I Généralités sur les Systèmes Photovoltaïques

Tableau I.1. Énergie de gap des principaux matériaux dans les capteurs solaires Tableau I.2. Comparatif des différentes technologies

Chapitre II : Modélisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau Tableau II.1. Paramètres du module PV

Chapitre III : Optimisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau Tableau III.1. Matrice d’inférence

ANNEXES

Tableau. Annexe. A.1. Paramètres De La Machine Asynchrone A Double Alimentation

Tableau. Annexe. A.2. Cahier de charge pour une MADA

Tableau. Annexe. B.1. Paramètre de rugosité en fonction de l’environnement Tableau. Annexes. D. Paramètres obtenu du modèle PV à une diode

12 19

48

115 117

133

149

175 177 179 183

Sommaire

Sommaire

Introduction générale

PARTIE I ENERGIE EOLIENNE

Chapitre I Généralité sur les Système Eoliennes I.1 Introduction

I.2 Historique de l’énergie éolienne

I.3 Développement d’énergie éolienne en Algérie I.4 Avantages et inconvénients de l’énergie Eolienne I.5 Description des Turbines Eoliennes

I.5.1 Eoliennes à axe horizontal I.5.2 Eoliennes à axe vertical

I.6 Principales composantes des éoliennes I.7 Accouplement mécanique

I.8. Application des éoliennes

I.9 Les différentes zones de fonctionnement de l’éolienne à vitesse variable I.10 Aérogénérateur a Etudié

I.10.1 Etude de la turbine de type H-Darrieus

I.10.1.1 Description de la turbine de type H-Darrieus

I.10.1.2 Principe de fonctionnement de la turbine de type H-Darrieus I.10.2. Les machines asynchrones à double alimentation

I.10.2.1 Structure des machines asynchrones à double alimentation I.10.2.2 Principe de fonctionnement de GADA

I.10.2.3 Mode de fonctionnement de la machine à vitesse variable I.10.2.4 Avantages et inconvénients de la MADA

I.11. Problématique et Objectifs I.12Conclusion

Chapitre II Modélisation de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne II.1 Introduction

II.2 Modélisation d’une turbine éolienne à attaque direct de type H-Darrieus II.2.1 Description du system mécanique d’une éolienne à attaque direct II.2.2 Modélisation de la turbine

2

8 8 11 12 13 13 15 17 19 20 21 22 22 22 23 23 23 23 24 25 27 29 31 32 32 33

II.2.3 Modélisation du l’arbre

II. 3 Modélisation de la génératrice asynchrone à double alimentation GADA II.3.1 Hypothèses simplificatrices

II.3.2 Modèle triphasé de la MADA II.3.3 Changement de repère

II.3.4 Représentation de la MADA sous forme d’état II.3.5 Le couple électromagnétique

II.3.6 La puissance active et réactive II.3.7 Choix du référentiel de Park II.4 Modélisation du système d’alimentation II.4.1 Modélisation du redresseur triphasé II.4.2 Modélisation de l’onduleur

II.4.3 Stratégie de commande des onduleurs par MLI sinus-triangle II.5 Résultat de simulation

II.6 Conclusion

Chapitre III Commande Linéaire de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne III.1 Introduction

III.2 MPPT-PI de la turbine éolienne III.3 Commande Vectorielle de la GADA

III.3.1 Stratégie de commande en puissance active et réactive de la GADA III.3.2 Commande vectorielle

III.3.2.1 Objectif du contrôle

III.3.2.2 Principe du contrôle à flux orienté III.3.2.3 Commande vectorielle directe III.3.2.4 Commande vectorielle indirecte

III.3.2.5 Commande vectorielle directe en P et Q de la GADA III.3.2.6 Synthèse du régulateur Proportionnel-Intégral (PI) III.3.2.7 Commande vectorielle indirecte en P et Q de la GADA III.4 Résultats de simulation

III.4.1 Résultats de simulation de la commande vectorielle directe de système éolien III.4.2 Résultats de simulation de la commande vectorielle indirecte de système éolien III.4.3 Comparaison entre la commande vectorielle directe et la commande vectorielle indirect de système éolien

34 35 35 36 39 43 43 44 44 45 45 46 48 51 56 58 58 59 59 62 62 62 63 63 63 65 66 69 70 74 79

Sommaire III.5 Conclusion

Chapitre IV Commande Non Linéaire de la Chaine de Conversion d’Energie Eolienne IV.1 Introduction

IV.2 Commande des puissances par mode glissant IV.2.1 Théories des Modes glissants

IV.2.2 Les modes de la trajectoire dans le plan de phase IV.2.3 Conception de la commande par mode de glissement IV. 2.3.1 Choix de la surface de glissement

IV.2.3.2 Conditions de convergence

IV.2.3.2.1 Fonction directe de commutation IV.2.3.2.2 Fonction de LYAPUNOV

IV.2.3.3 Calcul de la commande

IV.2.3.4 Elimination du phénomène de chattering

IV.2.4 Mise en équation avec un régulateur à mode glissant lié aux puissances IV.2.4.1 Contrôle de la puissance active

IV.2.4.2 Contrôle de la puissance réactive

IV.3. Commande des puissances par la méthode backstepping IV.3.1 Principe de la commande par la méthode backstepping IV.3.2 Synthèse de la commande par la méthode backstepping

IV.3.3 Application de la méthode backstepping pour la commande de la puissance active et réactive de la GADA

IV.4 Résultats de simulation

IV.4.1 Commande par mode glissant de système éolien

IV.4.2 Commande par la méthode backstepping de système éolien IV.5 Conclusion

PARTIE II ENERGIE SOLAIRE

Chapitre I Généralités sur les Systèmes Photovoltaïques I.1 Introduction

I.2 Historique

I.3 Rayonnements soleil I.4 L’effet photovoltaïque I.5 Cellule photovoltaïque

80 82 83 83 84 85 85 87 87 87 88 91 92 92 92 94 94 95 98 99 99 103 108

111 111 112 114 114

I.6 Panneau photovoltaïque

I.6.1 Association des cellules photovoltaïques I.6.1.1 Regroupement des cellules en séries I.6.1.2 Regroupement des cellules en parallèle

I.6.1.3 Regroupement mixte des cellules (série-parallèle) I.6.2 Protection des modules PV

I.6.3 Zones de fonctionnement du module PV

I.6.4 Influence de l'éclairement et la température sur les caractéristiques I(V) et P(V) d’un générateur photovoltaïque

I.6.4.1 L’effet de l'éclairement I.6.4.2 L’effet de la température

I.7 Les systèmes photovoltaïques I.7.1 Les systèmes photovoltaïques autonomes

I.7.2 Les systèmes photovoltaïques connectés au réseau électrique I.8 Avantage et inconvénient de l’énergie photovoltaïque

I.9 Conclusion

Chapitre II Modélisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau II.1 Introduction

II.2 Modélisation de la cellule photovoltaïque II.2.1 Le modèle explicite

II.2.2 Le modèle à une diode II.2.3. Modèle à deux diodes

II.3 Modélisation d’un panneau photovoltaïque II.4 Modèles des convertisseurs statiques II.4.1 Modèle de l’hacheur survolteur II.4.2 Modèle de l’onduleur de tension II.5 Modèle du réseau électrique II.6 Conclusion

Chapitre III Optimisation du Système Photovoltaïque Connecté au Réseau III.1 Introduction

III.2 Principe de la recherche du point de puissance maximal

III.3. Synthèse des différentes techniques de maximisation de la puissance III.3.1 MPPT par la méthode Perturb and Observe” (P&O)

117 118 118 118 119 119 120 121 121 122 122 123 123 124 125 127 127 127 128 129 132 136 136 138 139 140 142 142 143 144

Sommaire

III.3.2 MPPT par la logique floue III.3.2.1 Variables linguistiques III.3.2.2 Fonctions d’appartenance III.3.2.3 Description d’un processus flou

III.3.2.3.1 Base de règles et définitions (Base de connaissances) III.3.2.3.2 Fuzzification

III.3.2.3.3. Règles d’inférence floue III.3.2.3.4. Défuzzification

III.3.2.3.4.1. Méthode du maximum

III.3.2.3.4.2. Méthode de la moyenne des maximas III.3.2.3.4.3. Méthode du centre de gravité

III.3.2.4 Avantage et inconvénient de la logique floue III.4 Résultats de simulation

III.4.1 Fonctionnement aux conditions STC III.4.2 Fonctionnement sous conditions variable III.5 Conclusion

Conclusion générale & perspectives Références bibliographiques

Annexes

147 147 147 148 148 149 149 150 150 150 150 151 151 152 154 157 159 163 175

Introduction Générale

Introduction Générale

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INTRODUCTION GENERALE

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.

3

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

4

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.

PARTIE I

ENERGIE EOLIENNE

Chapitre I :

Généralité sur les Systèmes Eoliennes

I.1 Introduction

I.2 Historique de l’énergie éolienne

I.3 Développement d’énergie éolienne en Algérie I.4 Avantages et inconvénients de l’énergie Eolienne I.5 Description des turbines éoliennes

I.6 Principales composantes des éoliennes I.7 Accouplement mécanique

I.8 Application des éoliennes

I.9 Les différentes zones de fonctionnement de l’éolienne à vitesse variable I.10 Aérogénérateur étudié

I.11.Problématique et Objectifs I.12 Conclusion

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

8 I.1 Introduction

Le vent est une énergie très importante mais difficilement récupérable, distribue à peu près entre 2.5 et 5.10¹⁵ kWh pour chaque année [ADJ09], ce potentiel peut produire l’énergie mécanique ou l’électricité pratiquement sans l'émission des gaz polluants par l’utilisation d’un aérogénérateur (couramment appelé éolienne).

Ce présente chapitre comprend une généralité sur les systèmes de conversions éoliennes à base de GADA, nous présentons en premier partie l’historique de l’énergie éolienne, puis on s’intéresse aux types d’éoliennes à savoir à axe horizontal et à axe vertical avec leurs constitutions et leurs principes de fonctionnement.

La deuxième partie de ce chapitre décrit l’aérogénérateur utilisé dans cette étude, qui comprend une turbine de type H-Darrieus en attaque direct avec une génératrice asynchrone à double alimentation. La structure de la machines asynchrones à double alimentation, leur principe de fonctionnement, leur application et leur intérêt sont introduites dans cette partie.

Dans la dernière partie, la problématique de la présente thèse, aussi nos objectifs sont explicités.

Afin de ne pas alourdir inutilement l'exposé de ce chapitre, l'énoncé de toutes les informations adoptées dans les analyses de ce chapitre a été volontairement limité.

I.2 Historique de l’énergie éolienne

Le mot "Éolienne" tire son origine du mot grec "Éole" (en grec ancien Αἴολος:

Aiolos), et qui représente, dans la Grèce antique, le nom du dieu des vents.

L'énergie éolienne est l'une des premières formes d'énergie qui a été exploitée en premier par l’homme. Ses premières utilisations connues remontent vers les années 2000 avant J.C. On note les premières traces de ces machines au Moyen Orient au temps de Hammourabi empire d'Egypte, et en Chine et aussi en Inde vers les années 400 avant J.C. Le moulin à vent est l'ancêtre de l'éolienne. Il est apparu au Moyen-âge et en Europe. Il est du type à axe vertical dans les premiers temps, puis, il est muni de voiles qui s'orientent vers le sens du vent pour mieux capter l'énergie. (Fig.I.1 et Fig.I.2.) [MIR05].

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Fig.I.1. Photographie de deux moulins à vent Fig.I.2. Photographie d'un moulin à voile

Au douzième siècle, le premier moulin à pales profilées est apparu. Bien que très simple, il s'agit de la première tentative de recherche aérodynamique des pales. Il est utilisé principalement pour le pompage de l'eau ou pour moudre les grains.

A la renaissance, les chercheurs célèbres tels que Léonard de Vinci s'intéressent au moulin à vent, ce qui conduit à de nombreuses innovations qui se succèdent sur cette machine. Dès lors, les moulins se multiplient de plus en plus en Europe puis après ils se répondent un peu partout dans le monde.

La révolution industrielle offre un nouveau départ aux moulins par l'apparition de nouveaux matériaux. En effet, l'utilisation du métal permet de modifier les formes des tours et augmente considérablement le rendement des machines que l'on nomme désormais « éoliennes ». Ce n’est qu’à la fin du XIX^ème siècle, lorsque l’électricité pris son essor, que l’aérogénérateur électrique fit ses premiers pas. Au Danemark, Poul La Cour fut, sans doute, le pionnier, il a associé une turbine éolienne à une dynamo en 1891. En France [ARG82], contrairement à ce que la situation actuelle pourrait laisser penser, les recherches allèrent bon train dans les années 1920 (éolienne bipale de 20 m de diamètre, compagnie CEM) puis dans les années 1950-60 (tripale de 30 m et génératrice synchrone de 800 kW à Nogent le Roi, bipale de 35 m et génératrice asynchrone de 1 MW à Saint Rémy des Landes). En 1941, une éolienne bipale de 1250 kW (machine synchrone) était expérimentée aux USA dans le Vermont. En 1978, les Danois, aujourd’hui leaders dans les domaines, réalisèrent une machine tripale de 54 m pour une puissance de 2 MW [MUL12]. Les nombreuses réalisations expérimentales (notamment en Californie) et leurs avatars permirent de perfectionner les turbines, les systèmes de freinage d’urgence, les pylônes et les divers dispositifs de contrôles et d’obtenir des aérogénérateurs viables et compétitifs à la fin du XX^ème siècle. Diverses solutions de turbines furent explorées, notamment celles à axe vertical de type Darrieus, mais ne subsistent aujourd’hui pratiquement plus que des machines à axe horizontal à 2 ou 3 pales [MUL02].

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

10

Fig.I.3. Evolution des dispositifs éoliens de l’Antiquité à nos jours (images [EoleWeb]) Puis on a assisté à une longue éclipse dans ce domaine. Le regain d'intérêt, notamment pour les aérogénérateurs et le retour à ce domaine d'énergie, coïncide principalement avec la crise pétrolière qui relança les études et les expériences, cette fois à plus grande échelle : l’expérience californienne a été la première à grande échelle (le « Wind-rush ») au début des années 80, notamment avec des turbines de moyenne puissance (55 kW) et grâce à une incitation fiscale très volontariste. On passa ainsi de 144 machines (pour un total de 7MW) en 1981, à 4687 machines (386 MW) en 1985 [MUL12]. Mais c’est vers la fin des années 1980 que le marché des systèmes raccordés au réseau a réellement décollé en Europe, dans le reste des USA et également en Asie et en Afrique du Nord. En Europe, les leaders furent les Danois, principalement à cause de leurs faibles ressources énergétiques classiques, aujourd’hui, ils conservent une très large avance au niveau mondial (plus de la moitié des systèmes éoliens vendus) [ABD07].

Depuis les années 1990 le progrès de la technologie des éoliennes a permis de construire des aérogénérateurs de plus de 1 MW. Ces installations se sont démocratisées et libre de s'en procurer. En effet on en retrouve aujourd'hui dans plusieurs pays. Ces éoliennes servent aujourd'hui à produire du courant alternatif pour les réseaux électriques, au même titre qu'un réacteur nucléaire, un barrage hydro-électrique ou une centrale thermique. Cependant, les puissances générées et les impacts sur l'environnement sont différents.

11 I.3 Développement d’énergie éolienne en Algérie

L'Algérie dispose d'un potentiel exceptionnel qui peut la placer dans le peloton de tête au niveau mondial mais Selon un rapport publié par l'Agence internationale des énergies renouvelables (Irena), intitulé « Statistiques de capacité renouvelable 2017 », l'Algérie vient à la 18e place d’un classement en production d'énergie renouvelable en Afrique, avec une capacité installée de 536 MW. Cette position ne reflète qu'un début d'investissement dans ce domaine.

La ressource éolienne en Algérie vient à la 2eme place d’un classement en production d'énergie renouvelable (le soleil étant la ressource la plus présente). Elle varie beaucoup d’un endroit à un autre. Ceci est principalement dû à une topographie et un climat très diversifié.

Selon les cartes de vents établis par [BOUD16] (figure I.4) montrent que le Sud est caractérisé par des vitesses plus élevées que le Nord, plus particulièrement dans le Sud-Est.

Concernant le Nord, on remarque globalement que la vitesse moyenne est peu élevée. On note cependant, que le printemps est la saison la plus active suivie par l’été au sud et l’hiver au nord, avec un vent stable [CHE11].

Fig.I.4. Carte des vents de l’Algérie à 10 m d’altitude (m/s)

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

12

Malgré les importants investissements dans le domaine de la recherche et développement des éoliens qu’a connu le monde après le premier choc pétrolier, l’Algérie fonce dans ce domaine en adoptant le programme national de développement des énergies renouvelables (EnR) approuvé en 2011 et révisé en 2015 avec un objectif d’atteindre en 2030 une puissance totale de 22000 MW dont l’éolien se réserve la part de 5010 MW après la part des photovoltaïques (PV) avec 13575 MW [BOU15].

Le premier projet en la matière date de juin 2014 avec la première ferme éolienne implanté à Adrar dans la zone de Kabertène d’une puissance de 10 MW qui représentait 5%

environ de l’énergie électrique fournie par le réseau local.

Tableau I.1. Consistance du programme des énergies renouvelables I.4 Avantages et inconvénients de l’énergie Eolienne

✓ Les avantages

• L’énergie éolienne, propre, fiable, économique et écologique, c’est une énergie qui respecte l'environnement.

• Bien que ne pouvoir envisager de remplacer totalement les sources traditionnelles d’énergie, l’énergie éolienne s’inscrit parfaitement dans l’effort global de réductions des émissions de CO2, Chaque mégawatheure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique.

• L'énergie éolienne est une énergie renouvelable, gratuite, et inépuisable

• Parmi toutes les sources de production d’électricité, celle d’origine éolienne subit de très loin le plus fort taux de croissance

• L'énergie éolienne n'est pas non plus une énergie à risque comme l'énergie nucléaire et ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs

13

• 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 [RED09]

✓ Les inconvénients

Mêmes s’ils ne sont pas nombreux, l’éolien a quelques désavantages [RED09] :

• Les bruits mécaniques ou aérodynamiques.

• 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.

I.5 Description des Turbines Eoliennes

Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe horizontal et celles à axe vertical [LOU16] :

I.5.1 Eoliennes à axe horizontal

Elles sont appelées éoliennes à axe horizontal car l’axe de rotation du rotor est horizontal, parallèle à la direction de vent. Elles sont de conception simple, comportent généralement des hélices à deux ou trois pales, ou des hélices multi-pales pour le pompage de l’eau. [DJE09]

Il existe deux familles d’éoliennes à axe horizontal : les éoliennes à marche lente et le les éoliennes à marche rapide (Figure.I.5).

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

14

 Fig.I.5. Coefficient de puissance pour différents types d’éoliennes.

I.5.1. 1 Les éoliennes à marche lente

Les éoliennes à marche lente sont munies d’un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur inertie importante impose en général une limitation du diamètre à environ 8 m. Leur coefficient de puissance atteint rapidement sa valeur maximale lors de la montée en vitesse mais décroît également rapidement par la suite. De nombreuses éoliennes de ce type ont été construites aux Etats Unis dès 1870. Leur rendement est faible car leur vitesse en bout de pale est limitée (Fig.I.5).

I.5.12 Les éoliennes à marche rapide

Les éoliennes à marche rapide sont beaucoup plus répandues et pratiquement toutes dédiées à la production d’énergie électrique. Elles possèdent généralement entre 1 et 3 pales fixes ou orientables pour contrôler la vitesse de rotation. Les pales peuvent atteindre des longueurs de 60 m pour des éoliennes de plusieurs MW. Leur coefficient de puissance atteint des valeurs élevées et décroît lentement lorsque la vitesse augmente. Elles fonctionnent rarement en dessous d’une vitesse de vent de 3 m/sec. Les machines mono-pales et bipales ont l’avantage de peser moins, mais elles produisent plus de fluctuations mécaniques et ont un rendement énergétique un peu plus faible. Elles sont visuellement moins esthétiques. Ceci explique pourquoi 80% des fabricants optent pour des aérogénérateurs tripales.

15 I.5.2 Eoliennes à axe vertical

Elles sont appelées éoliennes à axe vertical car l’axe de rotation du rotor est vertical et perpendiculaire à la direction du vent. Elles sont les premières structures développées pour produire de l’électricité. [DJE09]

Les principaux capteurs à axe vertical sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieus classique et Darrieus en forme de H. (figure I.6)

Fig.I.6. Les différents types d'éoliennes verticales

Ce type d’éolienne peut utiliser deux principes : la traînée différentielle ou la variation cyclique d’incidence.

I.5.2.1 La traînée différentielle

Le principe de mise en mouvement de ce type d’éolienne est identique à un anémomètre (Fig. I.7). Les forces exercées par le vent sur chacune des faces d’un corps creux sont d’intensités différentes, nous obtenons ainsi un couple moteur.

Fig.I.7. Effet du vent sur un corps creux.

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

16 I.5.2.2 La variation cyclique d’incidence

Un profil placé dans un écoulement d’air selon différents angles est soumis à des forces d’intensités et de directions variables générant ainsi un couple moteur (Fig. I.8). Ce principe de fonctionnement a été breveté au début des années 1930 par le Français Darrieus.

Les rotors peuvent être de forme cylindrique, tronconique, parabolique, etc.

Fig.I.8. Incidence variable

✓ Avantages et inconvénient des machines à axe vertical

Les avantages d’une éolienne à axe vertical sont les suivants [LOU16] :

• Permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre (il n’y pas besoin de munir la machine d’une tour) ;

• Un mécanisme d’orientation n’est pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent.

• Elles possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol, elles sont facilement accessibles.

Les principaux inconvénients sont les suivants :

• Les vents sont plus faibles à proximité de la surface du sol ;

• L’efficacité globale des éoliennes à axe vertical n’est pas satisfaisante ;

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• L’éolienne ne démarre pas automatiquement. Ceci ne constitue cependant qu’un inconvénient mineur dans le cas d’une éolienne raccordée au réseau, étant donné qu’il est alors possible d’utiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer l’éolienne ;

• Pour faire tenir l’éolienne, on utilise souvent des haubans ce qui est peu pratique dans des zones agricoles exploitées.

I.6 Principales composantes des éoliennes

En général, les éoliennes sont constituées de trois éléments principaux ; La tour (mat), la nacelle et les pales. Chacune de ces parties doit être minutieusement étudiée et modélisée de façon à obtenir un meilleur rendement et une bonne fiabilité du système ainsi qu’un faible coût d’investissement. [DRI05] [BEL10] [PIN04]

• La tour : C’est un élément porteur, généralement un tube en acier ou un treillis métallique (figure I.9). Avec l’augmentation des puissances nominales des éoliennes, le mat devient de plus en plus haut pour éviter les perturbations près du sol mais aussi permettre l’utilisation de pales plus longues. La tour a une forme conique ou cylindrique. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre une tour (mât) de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l'aérogénérateur [DRI05]. A l’intérieur de tour sont disposés les câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.

Fig.I.9. La tour

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

18

• Les pales : qui permettent de capter la puissance du vent et la transférer au rotor. Leur nombre est de trois pales dans la plupart des aérogénérateurs, car ce nombre constitue un compromis entre les performances de la machine et des raisons de stabilité.

• La nacelle : regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler la turbine éolienne à la génératrice électrique (figure 1.10).

Fig.I.10. La nacelle Elle comprend :

o Un arbre : qui relie le moyeu au multiplicateur et contient un système hydraulique permettant le freinage aérodynamique en cas de besoin.

o Un multiplicateur : qui adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur électrique (qui est généralement entraîné aux environs de 1500tr/min). Ce multiplicateur est muni d’un frein mécanique à disque actionné en cas d’urgence lorsque le frein aérodynamique tombe en panne ou en cas de maintenance de l’éolienne.

o Le frein à disque qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge.

o Un anémomètre : Les signaux électriques émis par l’anémomètre sont utilisés par le système de control-commande de l’éolienne pour la démarrer lorsque la vitesse du vent atteint approximativement 5m/s. De même le système de commande électrique arrête automatiquement l’éolienne si la vitesse du vent est supérieure à 25m/s pour assurer la protection de l’éolienne.

o Le générateur : dont la fonction première est de transformer l’énergie mécanique disponible sur l’arbre de sortie du multiplicateur en énergie électrique. Cette fonction peut être réalisée au moyen de trois types de

19

machines : la génératrice synchrone, la génératrice asynchrone et la génératrice asynchrone à double alimentation [LOU16]. De plus un convertisseur de puissance associe éventuellement à la génératrice selon le type (direct ou indirect) de connexion au réseau. Le Tableau I.2 résume les principaux avantages et inconvénients de l’utilisation de chaque génératrice.

Avantages Inconvénients

Génératrice synchrone

• Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens.

• Absence de boîte de vitesse.

• Fonctionnement a vitesse variable sur toute la plage de vitesse.

• Machine spécifique.

• Prix de l’électronique de puissance dimensionnée au moins à 100% de la puissance nominale.

• Grand diamètre de la machine.

Génératrice asynchrone

• Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens.

• Electronique de puissance dimensionnée au moins à 100% de la puissance nominale.

Génératrice

asynchrone à double alimentation

• Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens.

• Electronique de puissance dimensionnée à 30% de la puissance nominale ;

• Fonctionnement à vitesse variable (±30% de la vitesse nominale).

• Maintenance du

multiplicateur

• Commande complexe ;

• Oscillations mécaniques.

Tableau I.2. Avantages et inconvénients des génératrices I.7 Accouplement mécanique

I.7.1 Eolienne à attaque indirecte

Dans ce type d’éolienne, la vitesse de rotation de la turbine est relativement faible, et le couple mécanique est élevé en sortie d’arbre de la turbine. Les machines électriques sont dimensionnées en couple, et on cherche à les faire tourner rapidement pour atteindre des puissances massiques satisfaisantes. C’est pourquoi on intercale un multiplicateur mécanique à engrenages entre la turbine et la génératrice [BOY06].

I.7.2 Eolienne à attaque directe

Ce type d'éolienne est peu répandu mais se développe de plus en plus. Le principe de l’entrainement direct est d'éliminer le multiplicateur et avoir la génératrice directement sur l'hélice. C-à-d, la génératrice ne tourne plus à 1500 tr/min mais à la vitesse de l'hélice, environ

Chapitre I Généralité sur les Systèmes Eoliennes

20

18 à 50 tr/min. cette faible vitesse de rotation, permet d’augmenter le diamètre de générateur à attaque directe pour obtenir une vitesse de déplacement relative importante entre le rotor et le stator et permettre de loger un grand nombre de pôles, permettant ainsi d'obtenir une fréquence de 50Hz pour des vitesses de l'ordre de 15 à 30 tr/min [BOY06].

Ce type d’éolienne évite les pertes, la maintenance et les coûts associés au multiplicateur. Un autre avantage de ces éoliennes est qu'il n'y a qu'une pièce en mouvement pour toute l'éolienne : c'est l'arbre de l'hélice. Il n'y a donc que le palier de celui-ci à entretenir. C'est une maintenance moins lourde que pour les éoliennes à multiplicateur et ces éoliennes devraient alors être plus rentables.

I.8. Application des éoliennes

On distinctes deux domaines d'applications des systèmes éoliennes à savoir, dans les sites isolés, ou dans les systèmes reliés au réseau.

Les systèmes obéissent à une configuration de base : ils ont besoin d'une unité de contrôle de puissance et, dans certains cas, d'une unité de stockage.

I.8.1 Systèmes isolés

Dans les sites isolés où l'électrification par extension du réseau de distribution entraînerait de nombreux frais pour la collectivité, et l'utilisation de groupes électrogènes est une nuisance que l'électricité éolienne peut et doit concurrencer. Elle est utilisée par exemple pour produire de l'électricité dans les îles, pour le pompage de l'eau dans des champs, ou encore pour alimenter en électricité des voiliers, des phares et des balises.

Les systèmes isolés en général, utilisent quelque forme de stockage d'énergie. Ce stockage peut être fait par des batteries : il faut alors un dispositif pour contrôler la charge et la décharge de la batterie. Le contrôleur de charge a comme principal objectif d’éviter qu'il y ait des dommages au système de batterie par des surcharges ou des décharges profondes.

Pour l’alimentation d'équipements qui opèrent avec un réseau alternatif (AC), il est nécessaire d’utiliser un onduleur.

I.8.2 Systèmes connectés au réseau électrique

Dans les systèmes liés au réseau on n'a pas besoin de systèmes de stockage d’énergie ; puisque toute la génération est livrée directement au réseau électrique via un convertisseur statique.