ERKO LEPA, TOBIAS THURNHERR, ALEXANDER FAULSTICH Partout dans le monde fleurissent les oliennes . . . Ces lourds investissements obligent choisir le meilleur de la technologie ! Si le march des arognrateurs a jusquici t domin par les machines asynchrones double alimentation (MADA), les solutions intgrant des convertisseurs de puissance gagnent du terrain. Sur ce crneau, la moyenne tension (MT) et la moyenne vitesse (MV) offrent les meilleures caractristiques pour les exploitations o-liennes de grande envergure : les systmes MT constituent en effet une solution faible courant qui minimise les pertes Joule, facilite la concep-tion de la gnratrice et permet dexploiter un convertisseur MT robuste haute disponibilit, quand la moyenne vitesse surclasse toutes les autres solutions aux rangs de la compacit, de la lgret et du rendement nergtique. Concevoir soigneusement les composants dun arognra-teur est conomiquement avantageux, comme lillustrent ici la ralisation et les essais dintgration dune unit de 7 mgawatts (MW).

Conception et essai dun systme aro-gnrateur de 7 mgawatts

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gences de certification et des rgles de couplage au rseau.

Dimensionnement en tensionCe nest pas le choix de la vitesse qui dtermine la tension rseau mais le niveau de puissance requis. Les gnra-trices dbitant jusqu 3 MW fonctionnent gnralement en basse tension (690 V, par exemple). Au-del, la moyenne ten-sion (3,3 kV, par exemple) a du bon, en particulier pour rduire le courant du convertisseur et minimiser ainsi les pertes Joule. La construction et lapprovision-nement en pices de larognrateur sen trouvent galement simplifis.

Vitesse de rotation de la gnratriceLe choix de la vitesse dpend des carac-tristiques de la chane lectromca-nique (multiplicateur, gnratrice, conver-tisseur et transformateur, par exemple).

Questions dinvestissement . . .

Selon lexcution et la puissance de laro gnrateur mais aussi les exi-gences du rseau et le prix des mat-riaux, la solution haute vitesse est celle qui demande habituellement le moins dinvestissement. La basse vitesse entranement direct est dordinaire la plus onreuse, et la moyenne vitesse lgre-ment plus chre que la haute vitesse. Nanmoins, les cots de maintenance, la disponibilit et la distribution annuelle des vents contribuant galement au cot global du systme, seule une analyse de tous ces facteurs peut dterminer la solution la plus avantageuse.

(encore appele attaque ou entrane-ment direct), moyenne vitesse et haute vitesse. Toutes trois privilgient deux grandes familles de gnratrices : les machines synchrones aimants per-manents (MSAP) et les machines asyn-chrones cage dcureuil (MACE).

Conversion basse vitesseCette technologie entranement direct, sans multiplicateur, exploite des gn-ratrices de grand diamtre (machines synchrones aimants ou excitation spare avec un seul palier) tournant la vitesse maximale de 30 tours par minute (tr/min).

Conversion moyenne vitesseOn utilise ici un multiplicateur un ou deux tages accoupl une MSAP com-pacte tournant la vitesse nominale de 100 500 tr/min. Vitesse rduite et multi-plicateur intgr mnagent la mcanique et limitent lencombrement.

Conversion haute vitesseCette solution environ 10002000 tr/min, mcaniquement similaire la double ali-mentation, met en uvre un multiplica-teur traditionnel trois tages. son faible encombrement sajoutent les avan-tages de la lgret.

Choix de la topologieChaque solution rsultant dun compro-mis masse/taille/maintenance, la chane de conversion doit tre judicieusement choisie en tenant compte de toutes les contraintes de larognrateur, des exi-

Les solutions double alimenta-tion et convertisseur lectro-nique de puissance ont le vent en poupe dans le grand olien.

Elles se distinguent principalement par le type et la taille de la gnratrice, ainsi que par la fonction du convertisseur. Longtemps dominante, la premire se voit grignoter des parts de march par la seconde. Plusieurs facteurs expliquent cette volution, dont les nouvelles rgles de couplage au rseau (grid code) et loptimisation de la puissance prleve faibles vitesses de vent.

Dans la solution lectronique de puis-sance, le convertisseur dcouple la gnratrice et la transmission mcanique du rseau ; toute la puissance produite est injecte dans le rseau par linter-mdiaire du convertisseur qui rgule la gnratrice en couple et en vitesse.

Trois techniques de conversion de puis-sance sont aujourdhui utilises, cha-cune avec un ensemble multiplicateur- gnratrice diffrent : basse vitesse

Photo p. 24 Choisir LE bon systme arognrateur, comme cette gnratrice aimants permanents tournant moyenne vitesse et refroidie leau, procure bien des avantages sur la dure de vie dune olienne. Mais quels sont les choix de conception dcisifs ?

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1 Gomtrie du rotor

Ple rotoriqueAimantsnodyme

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Des calculs, optimisations et analyses pousss aboutirent un ple rotorique en V 1. Sur la base de simulations de charge soudaine et de courts- circuits avec diffrentes proprits daimants et tempratures, on opta pour des nodymes force coercitive intrinsque leve ;

En conception, il importe didentifier les frquences de rsonance poten-tiellement dangereuses pour la mcanique et dassurer un amortisse-ment et une raideur suffisants pour tolrer les forces en jeu. Il faut galement pouvoir adapter la strat-gie de modulation et la frquence de dcoupage. On sait dexprience quune modification denviron 50 Hz de la frquence de dcoupage dcale la frquence dexcitation du point rsonant, rduisant considrablement les nuisances sonores et vibratoires.

de disposer de plus de libert dans le dimensionnement de la frquence nomi-nale.

Les machines synchrones excitation bobine rapide ou par aimants per-manents se rservent le domaine de la basse vitesse. Leur rendement est excellent jusqu des vitesses de vent de 8 m/s, soit environ 0 40 % de la puis-sance nominale de larognrateur ; au-del, elles sont fortement concurren-ces par dautres solutions.

Les MSAP cumulent les avantages dun rotor plus lger, dun meilleur rendement et dune plus petite taille en labsence de systme dexcitation : lidal pour len-tranement direct.

Le crneau de la moyenne vitessePlusieurs critres prsidrent la concep-tion et lessai dun ensemble convertis-seur-MSAP moyenne vitesse de 7 MW : La longue distance qui spare la

gnratrice du transformateur et la turbine de forte puissance amenrent choisir une MSAP associe un convertisseur MT ;

Les calculs dmontrrent la faisabilit des solutions 1420 ples sous langle des performances et de la fabrication. Des constructions 16 et 18 ples taient similaires, quelques petites diffrences prs en matire de pertes, de facteur de puissance, de force contre-lectromotrice et de masses actives. La solution 18 ples lemporta du fait des inductances et de langle de charge lgrement infrieurs ;

. . . et de rendement

Les calculs montrent que le duo MV-MSAP affiche un rendement record au point nominal : plus de 98 %. Ce ren-dement est galement lev sous charges partielles et vent faible, autori-sant la plus haute production annuelle dnergie en kilowattheures. Sans comp-ter que les multiplicateurs sont facile-ment intgrables pour raliser une solu-tion compacte et que la plus faible vitesse de rotation diminue lusure des organes de transmission.

Type de gnratriceLe facteur de puissance dune machine asynchrone (MAS) dcrot mesure que le nombre de ples augmente et que le pas polaire diminue. Les MAS faible nombre de ples concurrencent donc les machines synchrones (MS) dans les applications HV. En moyenne vitesse, le rendement des MAS est nettement inf-rieur. En gnral, les performances de la gnratrice sont proportionnelles son diamtre. Les MS pouvant avoir un plus grand nombre de ples, il est possible daugmenter le diamtre de lentrefer et

Les machines synchrones aimants perma-nents affichent un rendement record de plus de 98 %.

3 Possibilits dagencement 2 Chane lectromcanique avec convertisseur PCS 6000 dABB

Commandearognrateur

Ctgnratrice

Ctrseau

Commande convertisseur Disjoncteurprincipal

CC

FreinMSAP(500 tr/min maxi)

Palierrotor

Multiplicateur totalement ou semi-intgr

Rgulation delangle de calage

Transformateurde raccordement au rseau Tableau MT

Convertisseur olien

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rseau par lintermdiaire du second convertisseur. Dans cette configuration, seules les pertes du systme complet doivent tre couvertes par le rseau. Elle permet de faire tourner la gnratrice la puissance nominale, condition que le convertisseur moteur soit capable de fonctionner la puissance

nominale de la-rognrateur et puisse couvrir les pertes totales de linstallation.

Lchauffement de la gnratrice fut conforme aux cal-culs et les temp-ratures finales des composants du

convertisseur restrent infrieures aux limites. La tension vide de la gnra-trice, moins leve que la valeur calcu-le, rduisit le facteur de puissance de la gnratrice. Malgr cela, les princi-pales caractristiques assignes de la gnratrice furent conformes aux calculs. Lessai de court-circuit triphas aprs chauffement montra que les aimants de la gnratrice taient, comme prvu, protgs de la dmagntisation. Les mesures de vibrations et dmissions sonores furent bien infrieures aux pres-criptions CEI. La gnratrice afficha un rendement de 98,17 % au point nominal, dpassant mme les attentes dautres points de charge.

On testa plusieurs frquences de dcou-page sur toute la plage de vitesse, dans diffrents modes de modula