Amélioration de la qualité d’énergie électrique d’un système hybride (éolienne, groupe diesel) connecté sur un site isolé

تـــعماج

–

جاحلوأ دنحم يلكأ

-ةريوبلا

UNIVERSITE Akli Mohand Oulhadj —Bouira

(ALGERIE)

Mémoire de Master

Présenté au département de Génie Electrique

Faculté des Sciences et Sciences Appliquées

Pour obtenir le diplôme

De Master

En:

Ingénierie de l’Energie Electrique et Transport

Par :

M. Mustapha SALLEMI

M. Karim YAHYAOUI

Thème

Amélioration de la qualité d’énergie électrique d’un

système hybride (éolienne, groupe diesel) connecté sur

un site isolé

Soutenu le 26/09/2016 devant le jury composé de :

M. MOUDACHE Said Maître Assistant à l’université de Bouira

Président

M. GRICHE Issam Maître Assistant à l'université de Bouira

Encadreur

M. ARABI Abderrazak Maître Assistant à l'université de Bouira

Examinateur

Le travail présenté dans ce mémoire a été mené au département de génie électrique faculté

des sciences et sciences appliquées de l’Université de Bouira.

Nous tenons à exprimer notre profonde reconnaissance à mon encadreur pour leur aide, leur

support et leurs conseils qui nous ont permis à la réalisation de ce travail.

Nous tenons également à remercier vivement les membres de jury pour avoir accepté de

juger notre travail.

Egalement, nous remercions aussi tous les enseignants de département génie électrique.

Nous remercions nos parents, nos amis, nos collègues qui nous ont encouragé dans la

poursuite de nos études.

Bouira, le 26/09/2016

SALLEMI et YAHIAOUI.

Sommaire

INTRODUCTION GENERALE………..IX

1.1 Introduction………..………...………P.1.1 1.2. Analyse technico-économique ………..………P.1.1 1.3. Systèmes hybride ………...P.1.3 1.3.1. Combinaison général du Système hybride (éolienne + diesel)……….P.1.4 1.3.2. Mode de fonctionnement de système hybride (éolienne+ diesel) ………P.1.5 1.3.3. Principaux composants de système hybride (éolien + de diesel)………...P.1.5 1.3.3.1. Eolienne ………..P.1.5 1.3.3.2. Générateur diesel……….….……...….P.1.13 1.3-3-3 Système embrayage ………...………...P.1.15 1.3.4. La production d'énergie mécanique……….P.1.16 1.4. Difficultés de Système hybride (éolienne + diesel)……….………....P.1.18 1.5. Conclusion………...………..……...P.1.19

Chapitre 2 : Modèle électrique du système hybride (éolienne, diesel)

2.1. Introduction ………...P.2.1 2.2. Modélisation de la machine synchrone à pôle saillant ……….….………P.2.2 2.2.1. Définition les différents enroulements de la machine synchrone avec à pôle saillant

(Un pair pôle) :………...…...P.2.3 2.2.2. Hypothèses adoptées pour la modélisation de la machine synchrone …...P.2.4

2.2.3. les équations électriques et magnétique de la machine synchrone sur le plan (abc)……….……… ……. ……….…………...P.2.4

2.2.3.1. Equations électriques……….P.2.5 2.2.3.2. Relation entre le flux et le courant………...P.2.5 2.2.4. Equations électriques sur le plan (dq) ………P.2.6 2.2.4.1. Transformations du (Park) ………...………...……...P.2.7 2.2.4.2. Modèle de la machine synchrone………..………….….. P.2.7 2.2.4.2.1. Déterminer les équations électriques……….…………P.2.10 2.2.4.2.2. Equation d'énergie et le couple ……….…………P.2.11 2.2.4.2.3. Équation de l'énergie mécanique ……….………..P.2.12 2.3. Modélisation de la machine asynchrone avec une cage d'écureuil………..P.2.12 2.3.1. Définitions les différents enroulements de la machine synchrone cage d'écureuil ……...P.2.12 2.3.2. Hypothèses adoptée pour la modélisation de la machine Asynchrone………..…...P.2.13 2.3.3. Equations électriques et magnétiques de la machine synchrone sur le repère (abc)……P.2.13 2.3.3.1. Equations électriques………...P.2.14 2.3.3.2. Relation entre le flux et le courant………...P.2.15 2.3.4. Equations électriques sur le plan (dq) ……….P.2.16 2.3.4.1. Transformation du (park) ………....…….P.2.16 2.3.4.2. Equations du flux (dq)………P.2.16 2.3.4.3. Equations de tension……….….P.2.17 2.3.4.4. Equation du couple ……….……….P.2.17 2.3.4.5. Equation de l'énergie mécanique………..………P.2.18 2.4. Régulateur de tension ……….………P.2.18 2.5. Régulateur de fréquence ………...P.2.19 2.6. Conclusion……….……….P.2.21

Chapitre 3 : Prouver l'efficacité du système hybride (éolienne + diesel)

3.1. Introduction………...P.3.1 3.2. Fonctionnement du Système hybride (éolienne + diesel) avec le générateur diesel ……...P.3.1 3.2.1. Résultats de la simulation………...P.3.2 3.2.2. Interprétation sur les résultats ………...P.3.7 3.3. Fonctionnement du Système hybride (éolienne + diesel) avec le générateur diesel ……...P.3.7 3.3.1. Résultats de la simulation………....P.3.8 3.3.2. Interprétation sur les résultats ……….…P.3.13 3.4. Fonctionnement du Système hybride (éolienne + diesel)………....P.3.14 3.4.1. Résultats de simulation………..….P.3.14 3.4.2. Interprétation des résultats ………..…..P.3.19 3.5. Conclusion ……….………...P.3.20

Chapitre 4: Amélioration la qualité d'énergie électrique de système hybride

(Éolienne + diesel)

4.1. Introduction………..……….P.4.1 4.2. Effet de la charge non linéaire sur le réseau électrique ………...P.4.1 4.3. Filtre actif parallèle ………...P.4.5 4.3.1. Système de Diagnostic et l'organisation……….……….……P.4.6 4.3.1.1. Circuit de filtre multiplicateur (bande de filtre passe)……….P.4.6 4.3.1.2. Circuit du régulateur………...P.4.8 4.3.2. Système de réglage la largeur d'impulsion (MLI)………...P.4.9 4.3.3. Onduleur ………....……….P.4.10 4.4. Résultats de simulation……….…...P.4.13 4.5. Conclusion ………..P.4.13

Chapitre 5 : La protection de réseau électrique indépendant alimenté par le système hybride

(Éolienne + diesel)

5.1 Introduction………...P.5.1 5.2. Court-circuit………P.5.1 5.2.1. Types de court-circuit ………...P.5.2 5.2.2. Valeur maximale et minimale de court-circuit ………...P.5.2 5.2.2.1. Valeur maximale du court-circuit………..………...P.5.3 5. 2.2.2.Valeur minimale du court circuit………...P.5.3 5.3. Protection de réseaux électrique contre les courts circuits………..…...P.5.3 5.3.1. Critères pour déterminer le transport de l'énergie électrique………...P.5.3 5.3.1.1. Courant de fonctionnement ………...P.5.4 5.3.1.2. Courant nominal des conducteurs ………..………...P.5.4 5.3.1.3. Augmentation de l'intensité ………...P.5.5 5.3.2. Principe de la protection électrique………...P.5.5 5.4. Composantes principales pour les niveaux d'installation électrique et dispositifs de

Protection approprié………...P.5.5 5. 4.1. Niveaux de l'installation électrique étudiée………..…...P.5.6 5.4.1.1. Premier niveau………...P.5.7

5. 4.1.3. Troisième niveau………...………P.5.8 5.4 .1.4. Quatrième niveau………..……P.5.9 5. 4.2. Résultats de la simulation………...………...……….P.5.9 5.4.2.1. Premier niveau……….………..………P.5.10 5.4.2.2. Deuxième niveau………...………..…...P.5.11 5.4.2.3. Troisièmes niveaux………...P.5.12 5.4.2.4. Quatrièmes niveaux ………...… ……….P.5.13 5.4.2.5. Résultats de simulation dans les différents niveaux d'installations……… …P.5.22 5. 4.3 Analyse des résultats ……….…P.5.31 5.5. Conclusion………..………P.5.31

Chapitre 6 : Etude économique et environnementale du système hybride

(Éolienne + diesel)

6.1. Introduction ………P.6.1 6.2. Analyse économique et environnemental du Système hybride ………...P.6.1 6.2.2. Normes de base d'analyse économique sur le programme (HOMER

)....…………...….P.6.2

6.2.2.

6.3. Variation de la charge……….

6.3.1. Changements de la vitesse du vent pour l’installation étudié……….……….P.6.4 6.3.2. Résultats de la simulation………..….P.6.7 6.3.2.1. Puissance produite par le système pendent l'année……….……...P.6.7

6.3.2.2. Analyse économique………..……….P.6.8

6.3.2.3. Analyse environnemental………..………...P.6.9

6.3.2.4. Analyse des résultats de la simulation ……….P.6.10

6.4. Conclusion………...…………..P.6.11

CONCLUSION GENERALE

Perspectives

Annexe ...P.A

Liste des figures

Figure 1.1. La variation de prix du pétrole ………...……….P.1.3 Figure 1.2. Les techniques utiliser dans le système hybride pour la production d’énergie

Electrique……….……….P.1.5

Figure 1.3. Système hybride (éolienne +diesel)……….P.1.6 Figure 1.4. Turbine éolienne………...P.1.7 Figure 1.5. Les éoliennes à l'axe horizontal……….…….P.1.8 Figure 1.6. Principaux organes du système de conversion éolienne……….……P.1.8 Figure 1.7. Transformation d’énergie par générateur asynchrone a cage d'écureuil qui fonctionné à

Une vitesse constante ……….………..………P.1.9

Figure 1.8. Transformation d’énergie par générateur asynchrone a cage d'écureuil à deux vitesses

Déférente………..…...P.1.9

Figure 1.9. transformation d’énergie par générateur asynchrone a cage d'écureuil……..………...P.1.10 Figure 1.10. Combinaison d'émergence du Vent………..………P.1.11 Figure 1.11. Exemple sur le changement de la vitesse du vent………P.1.11 Figure 2.1. La forme générale du système hybride (éolienne+DIESEL)………P.2.2 Figure 2.2. la forme générale du système hybride (éolienne + diesel) sur programme

(MATLAB-SIMULINK)………...P.2.3

Figure 2.4. transformation du (park)………...………..……..P.2.7 Figure 2.6. Représentation de la machine asynchrone dans le repéré (Park)……….……….P.2.9 Figure 2.7.Régulateur de la tension……….………..….P.2.10

Figure 2.8. régulateur de tension sur le programme (MATLAB / Simulink)………..……..P.2.10 Figure 2-9 : régulateur de la fréquence……… ..………...………..P.2.12 Figure 3.1. Fonctionnement du Système hybride avec le générateur diesel………...P.3.5 Figure 3.2. La simulation du système hybride (éolienne +diesel) quand il fonctionne par le générateur

Diesel sur le programme MATLAB/SIMULINK………....P.3.5

Figure 3.3. La tension du réseau………...………....P.3.7 Figure 3.4. la vitesse de la machine synchrone ………..…………....P.3.7 Figure 3.5. La fréquence du réseau……….…………..P.3.8 Figure 3.6. courant de la charge secondaire………..…………...P.3.9 Figure 4.1. Redresseur a trois phases alimente une charge linéaire (RL)……….…....P.4.3 Figure 4.2. Système hybride avec une charge non-linéaire et linéaire………...P.4.4 Figure 4.3. Courant de source avant et après de connecté une charge non linéaire………...P.4.4 Figure 4.4. le courant de la source avant de connecter une charge non linéaire………..P.4.5 Figure 4.5. le courant de la source après de connecté une charge non linéaire……….P.4.5 Figure 4.6. spectre harmoniques du courant de source avant de connecter la charge non linéaire..P.4.6 Figure 4.7. Spectre harmoniques du courant de source après de connecter la charge non -linéaire.P.4.7 Figure 4.8. Filtre actif parallèle connecté au réseau électrique………P.4.9 Figure 5.1. la propriété de la coupure pour les disjoncteurs automatiques ………..…..………P.5.4 Figure 5.2. La propriété de coupure pour les fusibles………P.5.5

((Ecodial))………..……….P.5.7

Figure 5.4. Le premier niveau de l’installation………P.5.8 Figure 5.6. le troisième niveau de l’installation………..P.5.9 Figure 5.7. le quatrième niveau de l’installation………..P.5.10 Figure 5.8. Les résultats de la simulation de la turbine éolienne………...P.5.12 Figure 5 .9. Les résultats de la simulation du générateur diesel………...P.5.13 Figure 5.10. Les résultats de la simulation de four………..P.5.14 Figure 5.11. Les résultats de la simulation du ventilateur………P.5.15 Figure 5.12. Les résultats de la simulation du transformateur……….P.5.16 Figure 5.11. Les résultats de la simulation du ventilateur………P.5.17 Figure 5.12. Les résultats de la simulation du transformateur……….P.5.18 Figure 5.13. Les résultats de la simulation du MOTEUR 1………...P.5.19 Figure 5.14. Les résultats de la simulation du MOTEUR 2 ……….….P.5.20 Figure 5.15. Les résultats de la simulation du MOTEUR 3………P.5.21 Figure 5.16. Les résultats de la simulation du transformateur 2……….P.5.22 Figure 5.17. Les résultats de la simulation des appareils électroménagers………P.5.23 Figure 5.18. Les résultats de la simulation de soudage……….P.5.24 Figure 5.19. Les résultats de la simulation pour éclairage publique (LUMIERE)……….……..….P.5.25 Figure 5.20. Les résultats de la simulation pour le jeu de barres (JDB1)……….…P.5.26 Figure 5.21. Les résultats de la simulation pour le jeu de barres (JDB2)………...P.5.26 Figure 5.22. Les résultats de la simulation pour le jeu de barres (JDB 3)……….…...P.5.27 Figure 5.23. Pouvoir de coupure des disjoncteurs de premier niveau………..…P.5.27 Figure 5.24. Pouvoir de coupure des disjoncteurs de deuxième niveau………...P.5.27 Figure 6.25. Pouvoir de coupure des disjoncteurs de troisième niveau……….P.5.28 Figure 5.26. Pouvoir de coupure des disjoncteurs de quatrième niveau………...P.5.29 Figure 6.1. L’installation électrique qui étudier sur le programme (HOMMER)………...P.6.2 Figure 6.2. Le changement de la charge quotidienne ………P.6.3 Figure 6.3. Variations annuelles de la charge ……….P.6.3 Figure 6.4. Les changements de la charge pendant les mois d'Octobre et Novembre …………....P.6.4 Figure 6.5. DMAP aux variations de la charge………..….P.6.5 Figure 6.6. La propriété de la puissance pour la turbine utilisée………...P.6.5 Figure 6.7. Vitesse du vent en fonction de la hauteur de la turbine utilisée ………...……..P.5.6 Figure 6.8. Changement de la vitesse du vent pendent une année……….P.5.6 Figure 6.9. La vitesse moyenne du vent pendant une année………....…..P.6.8 Figure 6.10. Le changement de la vitesse du vent au cours du mois d'Avril et Mai………..P.6.8 Figure 6.12. La puissance produite par le système pendant une année………..………P.6.8

Liste des tableaux

Tableau 4.1.

Générateur diesel)………..P.4.14

Tableau 5.1. Courant de court-circuit et le pouvoir de coupure dans tous les niveaux de

L’installation ………...………P.5.24

Tableau 5.2. Différentes disjoncteurs utilisé dans l’installation électrique………P.5.25 Tableau 5.3. Chute de tension………..P.5.27 Tableau 6.1. Analyse de côté économique ……….….P.6.8 Tableau 6.2. Analyse de Cotée environnemental……….………P.6.9 Tableau 6.3. les émissions du gaz totales ……….………..P.6.10

Listes des Acronymes et Symboles

ABRÉVIATIONS

SHÉD Système Hybride Éolienne-Diesel SEH Système d’énergie hybride

TPP Taux de pénétration de puissance TPE Taux de pénétration d’énergie MD Moteur diesel

GD Générateur diesel

DMAP Deer Management Assistance Program GS Générateur synchrone

GAS Générateur asynchrone MS Machine synchrone MAS Machine asynchrony WO Éoliens seul (Wind only) DO Diesel seul (Diesel only) WD Éolien-diesel (Wind Diesel)

LISTE DES SYMBOLES ET UNITÉS DE MESURE

Τ

R Rayon du rotor éolien, m

J Couple d'inertie totale du rotor de la machine et le moteur Diesel. (Kg.m²) Tt Couple mécanique extraite du vent par le rotor, N.m

D Coefficient de frottement (N.m.s)

Tt Couple mécanique extraite du vent par le rotor, N.m Tem Couple électromagnétique, N.m

Tmech Couple mécanique produit par le MD, N.m Cp Coefficient de conversion aérodynamique J Inertie, kg.m2

D Friction, Newton/rad/s N Ratio du boitier d’engrenage Φ Débit de carburant, Litre

V Vitesse du vent, m/s

Ωt Vitesse de rotation du rotor éolien, tr/s

ΩG Vitesse de rotation du générateur électrique, tr/s Ω Vitesse du rotor synchrone, tr/s

Ωref Vitesse de référence, tr/s

Ωs Vitesse angulaire du champ tournant, rad/s Ωm Vitesse angulaire du rotor, rad/s

β Angle de calage des pales de éolienne en degré

Sn Puissance apparente, Kva

Sc Puissance apparente de la charge non linéaire, Kva

Sf Puissance apparente du filtre actif, Kva

PsourcesPuissance active des deux sources d’énergies, Kw Pw Puissance active débité par l’éolien, Kw

PL Puissance active consommée par la charge, Kw

PD Puissance active débité par MD, Kw

Pchs la puissance active consommée par la charge secondaire en Kw

QD Puissance réactive cote MD, Kvar

Qbatt puissance réactive débité par les batteries de condensateurs en Kvar Eamont énergie cinétique en amant en joule.

Eaval énergie cinétique en aval en joule.

is1ab Courants débité par la GAS, Ampère is2abc Courants débités par GS, Ampère isabc Courants de réseau, Ampère i123 Courants du filtre, Ampère

isabc2 Courants de charge secondaire, Ampère iLabc Courants de charge principale, Ampère icabc Courants de charge non linéaire, Ampère ia Courant statorique de la phase a, Ampère iA Courant rotorique de la phase A, Ampère V Volt

Ua Tension statorique de phase a, Volt H Henry

Vf123 Tensions du filtre, Volt

Ua Tension statoriquede phase a, Volt H Henry

Laa Inductance propres statorique de la phase a, Henry

LAA Inductance propres rotorique de la phase A, Henry Lab Inductance mut uel l e s s t a t o r -stator, Henry

Lab Inductance mut uel l e stator-stator, Henry

LAb Inductance mutuelle stator-rotor, Henry Lf Inductance de filtre, Henry

Ls Inductance mutuelle stator-rotor, Henry

Ra Résistance statorique de phase a, Ohm RA Résistance rotorique de phase b, Ohm

Rf Résistance du filtre, Ohm

Fr Fréquence du réseau, Hertz Fond Fréquence d’ondulation, Hertz g Glissement de la machine Pp Nombre de paire de pôle

INTRODUCTION

GENERALE

Pour les régions isolées ou éloignées, le prix d’extension du réseau électrique s’avère prohibitif et le surcoût de l’approvisionnement en combustible augmente radicalement avec l’isolement. Le terme ’’Système d’Énergie Hybride’’ fait allusion aux systèmes de génération d’énergie électrique utilisant plusieurs types de sources. Le jumelage des sources d’énergie renouvelable comme l’éolienne, le photovoltaïque ou les petites centrales hydroélectriques peu constituer un complément ou une alternative aux générateurs diesels utilisés généralement pour la génération d’électricité dans les régions isolées. Les systèmes énergies hybrides sont généralement conçus pour répondre aux besoins énergétiques allant du simple éclairage jusqu’à l’électrification complète des villages ou de petites îles. L’utilisation de plusieurs sources d’énergies dans un système hybride doit avoir une incidence profitable sur la production d’énergie, en termes de coût et de disponibilité, étant entendu que le bilan ``écologique`` est supposé a priori favorable. Les moyens de production d’énergie utilisant le éoliennes, le photovoltaïque, le petit hydraulique. Présentent des capacités de production incertaines et souvent fluctuantes, non corrélées à l’évolution de la charge. Le but du système hybride est d’assurer une alimentation à la charge continue sans interruption, et si possible de maximiser le bilan d’énergie provenant d’autres sources d’énergies renouvelables. Dans tous les cas, la bonne qualité de l’énergie doit être garantie par rapport aux normes de sécurité des personnes et d’usage des équipements.

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à l’amélioration de la qualité d’énergie dans un système autonome hybride qui comporte une éolienne, un générateur diesel, une charge secondaire et une charge linéaire. Ainsi, nous avons apporté des améliorations d’un modèle afin d’alimenter une charge variable qui peut aller jusqu'au 180KW, d’une façon continu en présence d’un vent variable.

Le travail présenté dans ce mémoire comprend six chapitres présenté comme suit :  Des généralités sur le système hybride (éolienne, diesel)

 Un modèle électrique du système hybride (éolienne, diesel)

 Des simulations sous environnement Matlab du système hybride (éolienne + diesel)  L’amélioration de la qualité d'énergie électrique du système hybride (éolienne + diesel)

 La protection de réseau électrique indépendant alimenté par le système hybride (éolienne + diesel)  Une étude économique et environnementale du système hybride (éolienne + diesel).

Chapitre 01

GENERALITES SUR LE SYSTEME HYBRIDE

(

EOLIEN

–

GROUPE DIESEL

)

1.1. Introduction

La présentation général d'un système hybride (éolienne + diesel) permet de connaisses leur composition technique et les différents domaines d'utilisation et de comprendre sa situation économique en reconnaissant les avantages qui est caractérisé et induit sur l’exploitation et l'examen les diverses techniques et les procédures et les moyens pris pour améliorer la qualité de l'énergie électrique produite.

Les systèmes hybrides qui repose sur des sources d'énergie renouvelables (vent, soleil ...) avec le générateur diesel dans la production d'énergie électrique qui considérer comme une meilleure solutions dans les régions isolées par rapport aux réseaux électriques principaux, pour cela, l'intérêt pour l'étude du comportement de ce type du système est importante dont le but de la conception des systèmes de surveillance et de réglage dans la qualité de l'électricité produite.

1.2. Analyse technique-économique

Le pétrole a atteint les sommets symboliques de cent trente-deux dollars le baril en juillet

2008 Figure 1.1 (INFO COM, 2009). Après une longue période d’accalmie d’environ quinze ans, le prix du baril de pétrole progresse et parfois il passe du simple au double en l’espace d’une seule

La consommation d'énergie est principalement basée sur le pétrole et ses dérivés, compte tenu de l'augmentation importante du développement industriel est sur l'augmentation de la demande pour ce matériau dans un proche avenir, l'augmentation des prix de l'inflammation Ajouter à cette augmentation de l'émission thermique des gaz (CO2) résultant de l'huile Ahtraqat dans les centrales électriques, les usines .... Cela soulève plusieurs doutes sur l'avenir de la planète. Lorsque les spécialistes sont remarquer les changements atmosphériques que l'augmentent des émissions (CO2) dans l'atmosphère conduit à chevauchent des saisons et l'augmentation des catastrophes naturelles comme Hurricanes et l'augmentation de la température saisonnière, l’impact sur le début de la fusion de certaines des parties aux pôles glaciale de la planète qui provoquer l'augmentation du niveau d'eau dans les mers sont devenues dangereuse sur la population mondiale, qui appelle à prendre des mesures nécessaires pour réduire les sources qui conduisent ces émissions (CO2) et de trouver des solutions et des alternatives. Cela a incité les chercheurs dans le domaine de la production d'énergie électrique à rechercher des solutions et d'alternatives aux générateurs Diesel sur lesquels en fournissant l'énergie électrique pour la majorité des zones isolées dans le monde, qui repose principalement sur le principe de l'installation et le fonctionnement de la combustion de combustibles. Ce qui a conduit à découverte le système hybride pour la production d'énergie électrique, qui repose sur les avantages des énergies renouvelables d'être peu coûteux et sans danger pour l'environnement avec l'utilisation de l'énergie aspects positifs de générateurs Diesel pour maintenir la continuité de l'électricité produite en cas de besoin. Lorsque le système hybride est conçu pour les énergies renouvelables comme la meilleure solution pour fournir l'énergie électrique a ces zones isolées à travers un réseau indépendant du réseau principal en conformité avec les conditions nécessaires (de qualité de puissance, protection) que celui-ci est disponible sur eux. Comme la prestation de ces zones est les grands réseaux en charge de l'affaire et dur.

1.3. Systèmes hybride

Les systèmes hybrides d’énergie électrique associent au moins deux technologies complémentaires: une ou plusieurs sources d’énergie classiques, généralement des générateurs diesels, et au moins une source d’énergie renouvelable.

Les sources d’énergies renouvelable, comme l’éolienne et le photovoltaïque, ne délivrent pas une puissance constante ; leur association avec des sources classiques permet d’obtenir une production électrique continue. Les systèmes d’énergies hybrides sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés. On trouve plusieurs structures des systèmes hybrides pour une génération d’énergie électrique parmi eux

[2].

Figure

‎

Techniques utiliser dans le système hybride pour la production d’énergie électrique

Parmi les systèmes hybrides, plus efficaces et moins coût et plus facile on trouve le système hybride (éolienne + diesel), qui a attiré l'attention de nombreux chercheurs dans le demain de production d'énergie électrique, qui est utilisé dans les zones isolées qui dépendent des générateurs diesel dans la production d'énergie électrique.

1.3.1. Combinaison général du Système hybride (éolienne + diesel

)

Le système hybride qui étudié sur la figure (1.2), se compose par deux sources d'énergie électrique : La première source classée parmi les énergies renouvelables, l’énergie électrique produite par la turbine éolienne.

La seconde est classé parmi les sources d’énergie classiques (générateur Diesel), plus à la charge principale qui considérer comme un consommateur dans le système électrique, et la charge secondaire sera utiliser s'il y a un surplus de l’énergie produite lorsque le système ne fonctionne que éolienne.

1.3.2. Mode de fonctionnement de système hybride (éolienne+ diesel)

Le Système hybride (éolienne+ diesel) fonctionné selon trois modes suivant la vitesse du vent comme suit:

1.3.2.1. Le premier mode

:

Si la vitesse du vent disponible pour produire l'énergie électrique nécessaire pour la charge principale (consommation), donc le système hybride est fonctionnée par la turbine éolienne.

Dans ce mode, le générateur diesel séparé automatiquement par le système hybride à l’aide d’un système d’embrayage.

1.3.2.2. Le deuxième mode :

Si la vitesse du vent est insuffisante pour produire l'énergie électrique nécessaire pour la charge principale (consommation), le système hybride fonctionne par éolienne et le générateur Diesel en même temps,

Le générateur diesel produire l'énergie électrique nécessaire pour compléter le manque de l'énergie.

1.3.2.3. Le troisième mode

:

Si la vitesse du vent est très faible (inexistante) dans ce cas le générateur diesel fonctionner seul pour produire l'énergie électrique nécessaire pour la charge, donc le système hybride (éolienne + Diesel) ne fonctionne que le générateur diesel seulement

1.3.3. Composants principale de système hybride (éolien + de diesel)

1.3.3.1. Eolienne :

L'éolienne c'est une source d'énergie électrique idéale dans plusieurs demain particulièrement dans le système hybride pour la production d'énergie électrique (avec une puissance supérieure (50 KW) [4], et sont souvent utilisés des générateurs asynchrones avec cage d'écureuil en raison d'un manque de coûts et de multiples domaines de leur utilisation et leur simplicité d'installation.

Il existe deux types d'éoliennes, en fonction de la position de l'axe de rotation, nous trouvons des éoliennes à axe vertical et horizontal représentés sur les figures (1.5)

Les éoliennes à l'axe horizontal généralement considérées le plus utilisé par rapport aux éoliennes à axe vertical car ils comportent des opérations de conversion d'énergie plus élevés et plus stables qui supportée les charges et les contraintes

[5].

Figure

‎

Les éoliennes convertissent l'énergie du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique par des générateurs électriques comme montre la Figure (1.6)

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

[7]

La machine asynchrone à cage d'écureuil et quand fonctionne comme un générateur, elle nécessité a une puissance réactive nécessaire pour sa magnétisation, par considération,

elles ne peuvent pas

fonctionner indépendamment d’une source qui leur fournisse la puissance réactive. En

fonctionnement à vitesse fixe elles sont souvent associées à une batterie de condensateurs,

[5]

Figure

‎

vitesse constante

Lorsque la vitesse du vent constante donc, ils sont raccorder directement le générateurs électriques (synchrone ou asynchrone) avec le réseau électrique.

Mais pour la vitesse du vent variable on utilise trois types des machines

[6]:

 la machine asynchrone avec un certain nombre polaire variable qui peuvent fonctionner à des vitesses différentes.

 Machine asynchrone à cage d'écureuil avec le variateur de la fréquence.

 Machine synchrone avec le variateur de la fréquence.

Les générateurs asynchrones avec un nombre polaire variable représentés sur la figure (1.8), qui fonctionne à des vitesses différentes nous permettent d'exécuter ces deux vitesse de rotation en fonction de la vitesse du vent.

Ce type est composé par des générateurs à faible puissance pour la vitesse de vent faible, et des générateurs à grande puissance pour une grande vitesse du vent.

La machine asynchrone à cage d'écureuil peut être raccordée au réseau électrique à l’aide d’un variateur de capacité comme indiqué sur la figure (1.9).

Tel qu’elle joue un rôle important et efficace, en incorporant entre les générateurs et les réseaux électriques, elle permet la séparation de la fréquence du réseau à la vitesse de rotation de la machine. Quelle que soit la vitesse de rotation de la machine, la tension produite convertit en une tension continue. Et ondulées autorisé à envoyer une tension alternative avec une fréquence constante correspond à la fréquence du réseau.

Figure

‎

La modélisation de la turbine éolienne nécessite la modélisation de l'énergie éolienne, et le système dynamique pour convertir l'énergie à l'aide d'une turbine éolienne.

Tel que la vitesse du vent est donnée dans un point quelconque v0(t), et écrit en fonction de la vitesse

moyenne V(t)et la vitesse angulaire Vt(t) :

(1-1)

On applique le filtrage par le filtre basse bas sur la vitesse angulaire on obtient :

(

1-2)

Figure

‎

sa vitesse moyenne (10m/s)

Figure

‎

1.3.2. Conversion Aérodynamique pour les blocs du vent

Le rotor de la turbine éolienne est un système qui convertir l'énergie cinétique des blocs du vent en énergie mécanique pour l'axe de rotation qui liée entre le rotor de la turbine et la boite de vitesses, cette énergie cinétique est attribuable au transfert de masse d'air.

Obtention de l'énergie électrique est principalement basée sur la quantité d'air qui passent le rotor.et le système de conversion des forces qui agissant sur les pales.

La figure (1.12) représente l'effet des masses d'air sur le rotor de la turbine.

Par considération la turbine éolienne a l’axe horizontal, nous exprimons la vitesse du vent de face avant de la turbine(Vamont) et la vitesse du vent pour la face arrière (Vaval)

Nous exprimons la vitesse moyenne qui passe la turbine par l'équation (2-3).

(1-3)

La masse d'air m qui passent la surface S (la surface balayée par les pales de la turbine) pendant le temps (

(Δt)

(1-4)

Avec :

: Densité de l'air

S: c'est la surface balayée par les pales de la turbine.

L'application de la deuxième loi de Newton peut être trouvée l'équation de la puissance mécanique (Pt) générée par la rotation de rotor de la turbine qui est donnée par la relation suivante:

(1-5)

Avec :

Eamont: l'énergie cinétique du vent de la face avant de la turbine

.

Eaval: l'énergie cinétique du vent de la face arrière de la turbine

Est donné :

(1-6)

(1-7)

On remplace les deux Équations (1-5) et (1-6) dans l’équation (1-4), on obtient l'équation suivante :

(1-8) Vamont non soumis pas pour la turbine éolienne par rapport à Vaval qui régissant significativement alors on essaye de écrit l'équation de la puissance mécanique en termes Vamont compte tenu de la relation suivante :

(1-9)

On notée :

On obtient l’expression générale pour l'énergie mécanique de la turbine éolienne:

(1-11)

Avec(Pt) Exprimer l'énergie extraite par les pales de la turbine et soumis au rotor.

On représenter le coefficient de la puissance en terme ) qui montré dans la figure (1-13). On observe que estimée sa valeur maximale (16/27) équivalent de (0,59) et a appelé une fin (Betz) Cette limitation permet d'identifier la puissance maximal pour certaine vitesse du vent est appelé le coefficient de la capacité du rotor ou de rendement da la turbine.

Cette valeur est définie par Albert Betz qui a identifié que il ne peut pas avoir aucune turbine qui convertir plus (59,3%) de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique

[12]

Lorsque cette valeur maximal (Cp) nous permettre de fixé la valeur maximal de la puissance produite pour une vitesse du vent donnée.

Figure

‎

On définit le coefficient de vitesse

(λ)

=

R: le rayon de la turbine (diamètre de demi-cercle palier par des pales).

On obtiens le coefficient de la puissance (Cp)suivant le type de la turbine utilisée en termes de coefficient de vitesse pour cela les turbines sont équipées par nombreuses pales (entre 20 et 40) tourne lentement, tel que ce type des turbines, le coefficient de la puissance prendre sa valeur maximale en cas d'une grande vitesse du vent, si la vitesse du vent diminue sa valeur diminue rapidement (valeur minimum) .donc les turbines qui tournent rapidement et largement utilisés dans la production d'énergie électrique c'est les turbines qui contient trois pales installées et dirigées étroitement.

[13]

Figure

‎

1.3.3.2. Générateur diesel

Le générateur diesel assuré la continuité de la production d'énergie électrique dans le système hybride est constitué d'un moteur associé avec une machine synchrone.

La fréquence de courant alternative à la sortie est fixé par un régulateur de vitesse, le régulateur commander la quantité d'écoulement de carburant de manière pour maintenir une vitesse constante pour le moteur diesel et le générateur synchrone et reliant celle-ci directement aux réseaux.

Le modèle dynamique totale pour le générateur diesel nous impose de modéliser ces composants principaux (moteur Diesel) pour régler la vitesse, en plus le générateur synchrone avec un système de réglage de la tension, le système embrayage séparé entre elles (générateur synchrone et moteur diesel) qui illustré sur la figure (

‎

Figure

‎

Générateur diesel

Tel que :

= la tension de référence Vs=la tension du réseau

=

Ω=

Φ=

=

La vitesse de rotation du moteur diesel liée à la quantité de carburant injectée et valeur de la charge qui entraine, il est donc considéré comme un système non-linéaire, connu comme le retard de temps en raison du décalage du temps dans la quantité de carburant injecté, qui nous exige des opérations du surveillance, contrôle et de réglage. Donc, le moteur de Diesel équipé par un système de réglage de vitesse (mécanique, électromécanique, électronique). Ceci nous permet de contrôler automatiquement la vitesse des moteurs et la quantité de carburant injectée en fonction de la variation de la charge.

Il existe plusieurs modèles des moteurs diesel suivant l'utilisation.

Figure

‎

L'entrée de contrôleur de la vitesse représente une ligne de vitesse de rotation et sa sortie représente un signal de commande pour l'opérateur mécanique (Is) que le fonctionnement dynamique de ce dernier ( l'opérateur mécanique qui représente l'arbre du moteur qui connecter à la charge) a exprimé en fonction de la conversion au coefficient du vent (K) exprimé par la relation entre le couple et la quantité de carburant consommé

[17]

(1-17)

Il existe un temps nécessaire pour le moteur diesel pour répondre aux exigences de variation de la vitesse dans la quantité de carburant injecter ceci est connu par un temps mort (TD), il peut être considérer le couple qui produit par le moteur Diesel (tméch) est une fonction soumise à l'écoulement du carburant

(1-18)

Dans ce travail effectué le générateur diesel destiner a fixe la fréquence du réseau et de maintenir une amplitude de tension constante dans l'état de fonctionnement du système de hybride par le générateur Diesel seulement, et de générer une puissance réactive possible pour le générateur asynchrone dans l'état de fonctionnement du système hybride par l'énergie du vent.

1.3.3.3. Système embrayage

Système embrayage qui permet la séparation du moteur Diesel par le générateur synchrone dans l'état de fonctionnement du système hybride (éolienne+ Diesel) par éolienne seulement.

Le système hybride (éolienne + diesel) fonctionne selon trois modes (éolienne, diesel, éolienne + Diesel), et que la transition du fonctionnement du système par le générateur diesel a l'éolienne doit être exige la séparation du moteur Diesel par le système. Grâce à un système embrayage qui installé entre moteur diesel et le générateur synchrone, destinée principalement sur la comparaison entre la valeur de la puissance produit par le générateur diesel (PW) et la puissance consommée par la charge principale (PL)

De telle sorte :

 le système embrayage est ouvert c- a- d le système éolienne alimente la charge principale seul. et donc le système hybride est désactivé (énergie produite à partir du système éolienne est suffisante pour alimenter la charge).

 le système embrayage est toujours fermé.

1.3.4. Production d'énergie mécanique

Dans le but de l'exploitation optimale de l'énergie cinétique résultant du mouvement des masses d'air du vent.

Les pales des turbines éoliennes sont fabriquées perverties et inclinées vers le sens d'angle du vent (β) par lesquels pour faciliter le processus de relation du rotor de la turbine et obtenir l'énergie mécanique nécessaire (suivant l'expression générale de l'énergie mécanique).

La turbine étudiée dans ce travail est caractérisé par un angle de réglage constant et le couple représente le variable de sortie du rotor de la turbine. Ainsi, il peut être déterminé le couple en fonction de la puissance mécanique produite et la vitesse de rotation du rotor de la turbine par les relations suivantes:

(1-12)

(1-13)

Avec (Ct) représente le coefficient de

elpuoc

(C

)

(1-14)

La modélisation du rotor da la turbine nécessite la connaissance de la propriété

Principalement liée sur les caractéristiques ingénieries des pales (forme des pales)

[14]

les éléments du transport d'énergie ( l'arbre de rotation ralentir a côté de la turbine , régulateur de vitesse, l'arbre de rotation rapide a côté du générateur) représentés dans la figure (1-13),de tel sorte le régulateur de vitesses convertir la vitesse ralentir de l'arbre de rotation a côté de la turbine a une grande vitesse qui reçoit par le rotor du générateur électrique.

Le modèle mécanique prend deux arbres (l'arbre côté de la turbine et l'autre côté du générateur) sous forme d'un seul arbre

[15]

Figure

‎

(1-15)

Avec :

De tel sort :

t

=

Jt=inertie de la turbine

DG= coefficient de frottement du générateur

JG=inertie du générateur

D=Le coefficient globale frottement (turbine générateur) J=inertie total (équivalent)

Remarque: Quand on parle sur le facteur de frottements et moment d'inerties pour la turbine éolienne

Figure

‎

1.4. Difficultés de Système hybride (éolienne + diesel)

Afin de maintenir la continuité de la production d'énergie électrique et d'améliorer sa qualité et de mettre le réseau électrique indépendante dans les mêmes conditions avec les réseaux principaux, ils doivent connaître les facteurs qui influent sur fonctionnement normal du système hybride (éolienne + diesel) et les difficultés de transport de la puissance dans les réseaux électriques que vous les résumer comme suit:

 les changements peuvent se produire dans la valeur de la charge (suivant l’exigence de consommateurs).

 La possibilité de lier une charge non-linéaire avec le réseau indépendant.

 Changements aléatoires pour les sources d'énergies renouvelables (vent).

 la gravité dans le réseau électrique et les dangers qui peuvent être produisent comme les courts-circuits qui peuvent arrêter le système électrique, en plus de la destruction de ses éléments constitutifs.

1.5. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons donné une présentation générale sur les systèmes hybrides intégrés avec des énergies renouvelables et système hybride (éolienne+ Diesel) en particulier, qui considérer comme une meilleure solution pour alimenter les zones isolées par l’énergie électrique à travers un réseau électrique indépendant par les réseaux électriques principaux, ainsi, après la présentation d’une analyse économique et technologique en offrant divers difficulté et les facteurs affectant sur le transport de la puissance dans les réseaux à prendre en compte dans le système étudié.

et de générer une puissance réactive possible pour le générateur asynchrone dans l'état de

fonctionnement du système hybride par l'énergie du vent, aussi la modélisation du système hybride

(éolienne, diesel) est nécessaire et obligatoire, ce que nous avons fais dans le deuxième chapitre.

Chapitre 02

M

ODELE ELECTRIQUE DU SYSTEME HYBRIDE

(E

OLIENNE

+D

IESEL

)

2.1. Introduction

La Figure (2.1) montrée dans le chapitre précédent présente le schéma du principe du SHED. L’éolienne et Le MD sont respectivement couplés avec une GAS à cage et à une GS à pôle saillant. L’énergie mécanique produite par les deux sources d’énergies est transformée en énergie électrique par les deux génératrices électriques. La GAS comme on l’a déjà expliqué dans la partie littérature a besoin de l’énergie réactive pour le démarrage (génération du champ magnétique tournant). Dans notre cas les batteries de condensateurs branchées en parallèles avec le circuit statorique fournissent cette énergie. Le rotor de la GS est alimenté en courant continu par un circuit d’excitation. Dans ce chapitre, nous présentons le modèle électrique de notre SHÉD et les contrôleurs de la tension et de la fréquence d’alimentation.

Figure 2.1. La forme générale du système hybride (éolienne+DIESEL

Figure 2.2.

la forme générale du système hybride (éolienne + diesel) sur logiciel

(

MATLAB-SIMULINK)

Où

is

is2abc : Courants débités par la GS. isabc : Courants de source totale. i123 : C o u r a n t s du filtre.

isabc2: Courants de charge secondaire. iLabc : Courants de charge principale. icabc : Courants de charge non linéaire

2.2. Modélisation de la machine synchrone

La puissance mécanique Pmech fournie en sortie du bloc «moteur diesel» est convertie en puissance électrique par une machine synchrone à pôle saillant.

La machine synchrone peut fonctionner autant en mode moteur qu’en mode générateur. Elle est utilisée surtout en mode générateur, dans notre cas. Le moteur diesel entraine la génératrice dans les deux modes de fonctionnements (DO et WD). Dans le cas où le vent est fort l’éolienne est capable de servir seul la demande en puissance de la charge. La machine synchrone fonctionne comme condenseur synchrone (Pmec=0), elle reçoit de la puissance active de l’éolienne pour compenser les pertes dans la machine et fournit la puissance réactive dont la GAS a besoin. La Machine synchrone comprend deux parties principales, le circuit induit (stator) et le circuit inducteur (rotor). La Figure 3.4 montre la disposition des enroulements d’une machine synchrone à 2 paires de pôle.

2.2.1. Définition les différents enroulements de la machine synchrone à pôle saillant (un

La figure (2.3) montre la disposition des enroulements pour une machine synchrone comportant un seule pair pôle. La référence angulaire est l’axe magnétique de la phase` a `est la séquence positive (abc). On définit deux axes supplémentaires : axes d (direct) et q (quadrature), placés dans les axes polaire et inter- polaire. Les six enroulements sont ceux :

Tel que :

 pour le stator : (a.b.c)

 pour le rotor : (f)

Des amortisseurs : Est superposer sur deux axes (d) et (q), par respectivement. le rotor tourne à vitesse dans le sens direct de repère (

d, q)

Nous exprimés les angles

qui sépare entre les bobines du stator et l'axe directe

comme suit:

(2-1)

2.2.2. Hypothèses adoptées pour la modélisation de la machine synchrone [18] :

Pour modéliser la machine synchrone doivent être prend en compte les hypothèses suivantes - Circuit magnétique est non saturé

- Négligence des pertes du fer

- La symétrie entre les bobines du stator et le rotor, que les résistances et les inductances sont égaux et les éléments électriques sont identiques.

2.2.3. Equations électriques et magnétiques de la machine synchrone sur le plan (abc)

2.2.3.1. Equations électriques:

L'application de la loi de des nœuds sur les bornes du stator et le rotor on obtient les équations suivantes:



Pour le stator :

(2-2)



pour le rotor :

(2-3)

La résistance de la bobine de la phase (K) du stator La résistance de la bobine excitation du rotor

Des amortisseurs Le flux de la phase (K)

(2-4)

(2-5)

On remplace les expressions (2-7) et (2-8) et (2-9) dans les équations (2-5) et (2-6)

On obtient :

(2-9)

(2-10)

2.2.3.2. Relation entre le flux et le courant

On peut écrire la relation entre le débit et le courant qui exprimé sous la forme matriciel en terme des coefficients et angle [18] comme suit :

(2-11) (2-12)

On écrire les équations (3-12) et (3-13) Sous la forme matriciel comme suit :

(2-14)

On donne la matrice du stator comme suit :

(2-15)

La matrice d’échange entre le stator et le rotor est donnée comme suit :

(2-16)

La matrice du rotor donné comme suit

(2-17)

2.2.4.

Equations électriques sur le plan (dq)

2.2.4.1. Transformations du (Park) :

La transformation du (Park) c’est un processus mathématique qui permet de passer par système de trois axes avec l’angle de (120 °) au système de deux axes.

La matrice du (Park) donnée comme suite

(3-18)

La matrice inverse du (park) est donnée comme suite :

(2-19) Les valeurs de la tension, courant, flux sont donnée solen transformation direct du (Park) comme suite :

Pour le courant :

(2-20)

Pour la tension :

(2-21)

Pour le flux :

(2-22)

Les valeurs de la tension, courant, flux sont donné selon la conversion inverse du (park) comme suit:

Pour le courant :

(2-23)

(2-24)

Pour le flux :

(2-25)

2.2.4.2. Modèle de la machine synchrone :

Les équations (2-21) et (2-26) peuvent être écrites sur la forme matricielle globale comme suit:

(2-26)

(2-27)

(2-28)

(2-29)

On remplace l'équation (2-5) dans l'équation (2-27) nous obtenons:

(2-32)

On remplace deux Équations (3-31) et (3 -32) dans l'équation (3-33), on trouve:

(2-33)

(2-34)

Après des calculs et la simplification, nous obtenons l'équation (2-36):

(2-35)

2.2.4.2.1. Détermination des équations électriques:

On remplace les équations (3-35) et (3-36) et (3-2) dans l'équation (3-34) et on ajoute l'équation (3-4) nous obtenons :

(2-36)

2.2.4.2.2. L'équation d'énergie et le couple :

La puissance électrique instantanée aux bornes de la machine synchrone est positive quand elle

fonctionne comme un générateur est donné par l'équation. (3-36)

(2-37)

On remplace les valeurs (abc) par les valeurs (dq0) après l'utilisation de transformation du (Park) et après un certain nombre de simplifications et des calculs, nous obtenons l’expression suivante:

(2-38)

Après de cette expression, et une série de calculs et simplifications, nous obtenons l'expression de puissances en termes des flux et les courants qui donnés comme suit:

(2-39)

2.2.4.2.3. Équation de l'énergie mécanique :

La dynamique de la machine synchrone écrite selon l'équation suivante:

(2-40)

Où:

: La vitesse angulaire du rotor. (Rad / s)

Couple mécanique qui appliqué sur l'axe de rotation de la machine par le moteur Diesel. Couple électromagnétique résultant par la machine (N.m).

J : couple d'inertie totale du rotor de la machine et le moteur Diesel. (Kg.m²) D : Coefficient de frottement (N.m.s)

rapport aux autres types de machine électrique, la machine asynchrone à cage connue également sous le nom de machine à induction est une machine intéressante pour son utilisation comme génératrice couplée à une turbine éolienne (Palle, Simoes et Farret, 2005)

[5]

2.2.3.1. Définitions les déférents enroulements de la machine Asynchrone :

Le stator de la machine asynchrone se compose par trois bobines qui sont séparés d’un angle de Le rotor sur deux formes :

Forme de cage d'écureuil ou rotor bobiné qui se compose par trois bobines comme représente sur La figure (2.5).

La valeur du rotor représenté par la majuscule, et le stator par la minuscule, et l'angle (θ) représente l'état du rotor par rapport le stator.

Dans le cas de (θ = 0), la bobine de phase '' A '' de la partie mobile (le rotor) est superposée sur la bobine de phase '' a '' de partie fixe (stator),

Il écrit inductances mutuelles entre le stator et le rotor en termes de cet angle Les inductances propre du rotor et le stator est indépendante d'entre eux.

Figure 2.5.

Définition des différents enroulements d’une machine

asynchrone à cage d’écureuil.

À travers la figure (2.5) peut extraire la relation entre la bobine soit des bobines du stator ou le rotor, ou les deux, et qui exprime par les relations suivantes:

Pour le stator : Laa = Lbb = Lcc Pour le rotor LAA = LBB = LCC Stator –stator Lab = Lac =Lba = Lbc = Lca = Lcb= cst Rotor –rotor LAB = LAC = LBA = LBC = LCA = LCB = cst Stator –rotor LAa, LAb, LAc, LBa, LBb, LBc, LCa, LCb, LCc = f(θ)

Comme dans toutes les machines électriques tournantes, la production d’un couple est la conséquence de l’interaction entre deux forces magnétomotrices l’une produite par le stator et l’autre par le rotor. Dans une machine à courant continu ou synchrone ces deux forces peuvent être indépendantes et réglables sans trop d’efforts mais la machine asynchrone à cage d’écureuil possède une force magnétomotrice au rotor qui dépend de celle au stator et

d’une grandeur qui exprime la vitesse du rotor (ws)

Cette liaison exprimé par la relation qui se trouve entre la vitesse du rotor (wm) et la vitesse de champ (ws), la différence entre ces deux vitesses, elle appelé la vitesse de glissement qui exprime par la relation (2-38) [13] :

(2-41)

Et ce qui est donné le coefficient important c'est le glissement

(2-42)

2.3.2. Hypothèses adoptées pour la modélisation de la machine Asynchrone

-caractéristique magnétique linéaire. -absence d’effet pelliculaire.

-absence de pertes dans le circuit magnétique

-La symétrie entre les bobines du stator et le rotor, que les résistances et inductances des bobines sont égaux .donc les éléments électriques sont identiques.

2.3.3. Equations électriques et magnétiques de la machine synchrone sur le plan (abc)

2.3.3.1. Equations électriques

Pour le stator :

(2-43)

(2-44)

(2-45)

On peut écrit sur la forme matricielle :

(2-46)

Pour le rotor :

(2-47)

(2-48)

On peut écrit sur la forme matricielle :

(2-49)

Tel que :

Les tensions instantanées aux bornes de l’enroulement statorique . Les courantes instantanées aux bornes de l’enroulement rotorique. Courants instantanés dans les phases de l’enroulement rotoriques La Résistance du stator et le rotor.

.le flux totalisé traversant l’enroulement statorique Le flux totalisé traversant l’enroulement rotorique.

2.3.3.2. La relation entre le flux et le courant :

En utilisant la propriété de saturation dans la machine nous permet d'exprimer le flux en termes des inductances et les courants comme suit :

=

+ [

]

(2-51)

Tel que :

(2-52)

[

] =

(2-53)

[

] =

=

(3-54)

Le coefficient de l’inductance propre de la phase (a).

Le coefficient de l’inductance mutuelle du stator entre les phases (a) et (b) Le coefficient de l’inductance mutuelle entre le stator et le rotor.

La matrice inductance mutuelle entre le stator et le rotor. La matrice les inductances du stator.

La matrice les inductances du rotor.

2.3.4. Equations électriques dans le plan (dq)

2.3.4.1. Transformation du (park) :

La transformation du (Park) donnée comme suite :

=

= [P]

(2-55)

La conversion inverse de la matrice du (Park) est donnée comme suit:

Figure 2.6.

Représentation de la machine asynchrone dans le repéré (Park)

2.3.4.2. Les équations du flux dans le plan (dq)

Après une série des calculs et simplifications [19], les inductances propre donnés comme suit:

(2-57)

Tel que :

Désignent respectivement les inductances cyclique statorique, les inductances rotorique, l’inductance homopolaire statorique et rotorique, l’inductance cyclique mutuelle entre rotor et stator.

Nous remarquons que les inductances présentes dans ces équations sont maintenant Indépendantes de l’angle électrique θ

Pour le stator :

(2-58)

(2-59)

2.3.4.3. Les équations de tension

[19]

(2-60)

Pour le rotor :

(3-61)

2.3.4.4. Equation du couple

I

2.3.4.5. Equation de l'énergie mécanique

(2-63)

Remarque: les caractéristiques de la machine asynchrone donnée dans l’annexe

2.4.

Régulateur de tension

Afin de régler la tension terminale de la machine synchrone, et la quantité de la puissance réactive générée ou absorbée. Un circuit de commande est associé à la MS pour contrôler la tension d’excitation.

Figure 2.7. Régulateur de la tension

[20]

La figure (2.8) montre la simulation du régulateur de tension sur le programme. (MATLAB SIMULINK)

Figure 2.8. Régulateur de tension sur le programme (MATLAB / Simulink)

Le régulateur de tension comporte quatre entrées, la première entrée c'est une tension de référence Les deux entrées suivants sont des tensions aux borne da la machine , Le quatrième entrée c'est une

tension de stabilité

.

Premièrement nous obtenons sur la tension des bornes de la machine par la racine carrée de la somme de tension carré , et la valeur obtenue passe sur un filtre, la sortie du filtre soustrait par la tension de référence et la tension de stabilité et aussi la soustraction de cette valeur s’il y en a une MS de plus. Un retour de la sortie est également soustrait après avoir passé par un circuit d’amortissement. L’erreur totale passe ensuite par un compensateur d’avance- retard avant de passer par le régulateur principal qui un simple proportionnel avec un filtre passe-bas. La tension d’excitation passe par un limiteur. Le dernier étape est un filtre passe- bas permet de tenir compte du gain et de la constante de temps de l’excitatrice et une boucle comportant une fonction non-linéaire, permet de tenir compte de la saturation de la génératrice à courant continu.

2.5. Régulateur de fréquence

La charge secondaire ou de délestage est une charge spéciale. Elle est utilisée dans un réseau autonome pour régler la fréquence du réseau autonome autour de sa valeur nominale

( 60 Hz), dans les conditions de surplus de la puissance active produite par les sources d’énergies renouvelables. Pour avoir une fréquence constante durant tous les modes de fonctionnements, il faut que la puissance active produite par les deux sources

d’énergies

soit égale à celle

par la charge PL.

Générateur diesel avec la puissance consommé par la charge principale

(2-64)

Avec :

(2-65)

Où :

La puissance active produite par le générateur diésel. .

Si la puissance produite supérieure à la puissance demander par la charge principale nous constatons un déférence entre ces puissances (production et consommation) exprimés par sa valeur déterminer a l'aide d'un régulateur de fréquence qui se transforme en une charge secondaire pour garder la fréquence de réseau indépendant qui alimentée par le système hybride(éolienne +diesel) constante.

Figure (2-8) montre la charge secondaire avec un régulateur de fréquence.

Cette charge est constituée par huit résistances sous la forme des colonnes a trois phases permet la dissipation de surplus dans la puissance produite.

Figure 2.9. Charge secondaire avec un régulateur de fréquence

La fréquence du réseau est contrôlée par le bloc de régulateur de fréquence discrète montré à la Figure (2.9).Le régulateur de fréquence utilise un PLL pour mesurer la fréquence de réseau.la fréquence mesurée est comparée à celle de référence. L’erreur obtenue est intégrée pour obtenir l'erreur de phase. L'erreur de phase est alors utilisée par un contrôleur de type PID À partir de cette erreur, un régulateur du type (PID) va générer un signal qui représente la puissance dissipée dans une charge secondaire (pour être absorbé).

Ce signal est converti en un signal logique ((8 bits) pour surveiller les résistances.

La fréquence de réseau. La fréquence de référence.

La figure (3-10) montre la simulation du régulateur de fréquence sur programme (MATLAB / SIMULINK).

Figure 2.11.

Régulateur de fréquence sur le programme

(MATLAB / SIMULINK)

2.6. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons modélisé la partie électrique de SHÉD qui constitué par un générateur synchrone et asynchrone, une charge secondaire, la charge principale, le régulateur de fréquence et de tension.

Nous avons conçu dans l’environnement MATLAB/Simulink, les modèles de tous les éléments du SHÉD afin de simuler le comportement du système complet.

Pour confirmer l'efficacité de système hybride (éolienne + Diesel) dans différent cas de leur fonctionnement, nous avons simulé le système sur la forme générale dans le troisième chapitre.