Pr A.Boumédiène

7/24/2019 Pr A.Boumdine

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1


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En vue d e lobtention du Diplme:Master en lectrotechnique

Thme:

Ralis p ar:

Naimi Abdel Hamid

Encadreur:

Mr: A.Boumdine

Rpublique A lgrienne D mocratique et PopulaireMinistre d e l'Enseignement Suprieur et de la Recherche Scientique

Universit de BECHAR Dpartement de Technologie Facult de Option: Rseau Electriques

promotion: 2011


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3

Plan de t ravail

Introduction G n rale

Gnralits s ur les s ystmes o liens

Modlisation de la Machine Asynchrone

Double Alimentation (MADA)

Commande des puissances active et ractive de la

MADA

MADA Intgrer dans un systme olien

Conclusion Gnrale et Perspectives


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4

Lnergie lectrique est un facteur essentiel pour le dveloppement et lvolution des socitshumaines que ce soit sur le plan de lamlioration des conditions de vie, ou sur le dveloppement

des activits industrielles. Elle est devenue une forme dnergie indispensable par sa souplessedutilisation et par la multiplicit des domaines dactivit o elle est appele ouer un r!le plusimportant. "es modes de production ainsi que les mo#ens de production associs sont amens subir de profonds changements au cours des prochaines dcennies.En effet, les modes de production reposant sur la transformation dnergie renouvelable $olien,solaire...%, sont appels &tre de plus en plus utiliss dans le cadre du dveloppement durable.'our raliser ceci, il est important de disposer de diffrentes technologies de gnrateurs telles que

les machines s#nchrones et les machines aimant permanent.(ans le domaine de production de lnergie lectrique vitesse variable, on leur prf)re plut!t desmachines rotor bobin doublement alimentes qui offrent de*cellents compromis

performances+co t .La machine as#nchrone double alimentation $- ( % offre de nombreu* avantages par rapport la machine as#nchrone classique et s#nchrone, surtout en ce qui concerne la gamme de la vitesseoprationnelle et de la puissance dentra/nement ou bien la puissance gnre par cette derni)re enmode gnratrice. (e plus, elle a un comportement souple la commande, ce qui lui permet detrouver un domaine dapplication tr)s vaste.La - ( peut &tre utilise dans des applications spcifiques avec une vitesse variable et frquence constante, comme les s#st)mes de gnration de lnergie lectrique partir des

puissances olienne et h#draulique, ainsi que dans les applications arospatiales et navales,lentra/nement des ventilateurs et des pompes deau.

Introduction G n rale


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0

Gnralits s ur les s ystmes o liensL intr&t dutilisation dnergie olienne augmente, car les populations sont de plus en plusconcernes par les probl)mes environnementau*. Elle est maintenant largement utilise. "est une

ressource propre, abondante et inpuisable qui peut produire llectricit pratiquement sanslmission des ga2 polluants.

Prsentation du systme o lienLes oliennes permettent de convertir l nergie du vent en nergie lectrique. "ette conversion sefait en deu* tapes

u niveau de la turbine, qui e*trait une partie de l nergie cintique du vent disponible pour la

convertir en nergie mcanique.u niveau de la gnratrice, qui re4oit l nergie mcanique et la convertit en nergie lectriquequi est transmise ensuite sur le rseau lectrique."e fonctionnement gnral est illustr par la figure ci5dessous


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6

7ne olienne est constitue de trois lments principau*

La tour ou m8t qui est l lment porteur.

7ne nacelle.

L ensemble rotor-pales.


7/37

9

Les d iffrents types d oliennesLes oliennes a xe vertical

Les oliennes axe horizontal


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:

Eoliennes v itesse xeLes premi)res oliennes de grande puissance mises en ;uvre reposent sur lutilisation dune

machine as#nchrone cage directement couple sur le rseau lectrique. "ette machine est

entra/ne par un multiplicateur et sa vitesse est maintenue appro*imativement constante par un

s#st)me mcanique dorientation des pales.

Eoliennes vitesse v ariable


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=

>n parle alors de recherche du point de fonctionnement puissance ma*imum $-''? en

anglais pour -a*imum 'o@er 'oint ?raAing%. "es s#st)mes sont gnralement associs avec les

gnrateurs oliens travers une lectronique de puissance permettant de ma*imiser lefficacit

nergtique du s#st)me travers la variation de la vitesse du vent.


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1B

Types d e m achines l ectriques u tilises d ans l essystmes oliens

Systmes non coupls au rseau alternatif

La gnratrice est de t#pe as#nchrone cage et auto amorce par condensateurs

Systmes coupls au rseau alternatifMachine synchrone


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11

Machine asynchrone cage

Machine asynchrone dou ble alimentation (MADA)La machine as#nchrone double alimentation porte un caract)re qui permet cette derni)re

doccuper un large domaine dapplication.


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1C

bobinages connects en toile dont les e*trmits sont relies des bagues conductrices sur

lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne.

Modes de fonctionnement de la MADA


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13

Diffrentes topologies de la MADAMADA nergie rotorique dissipe

MADA: structure de Kramer


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1D

MADA: structure de Scherbius avec cycloconvertisseur

MADA: structure de Scherbius avec c onvertisseurs MLI


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10

Avantages et inconv nients de la MADALes principau* avantages de la - ( sont

L accessibilit au rotor et au stator rend la mesure des courants possible, ce qui offre une grande

fle*ibilit et prcision pour le contr!le de flu* et du couple lectromagntique.Elle offre plusieurs possibilits de reconfiguration gr8ce sa double alimentation ce qui permet

cette derni)re de trouver un large domaine d application.

Elle prsente une puissance massique lg)rement plus leve que les autres machines de grandes

puissances.

"omparativement la machine as#nchrone cage, la - ( prsente des inconvnients lis

essentiellement au s#st)me balais5bague comme

-achine plus volumineuse que celle cage gr8ce la prsence du s#st)me balais bague.

La prsence du s#st)me balais bague engendre des effets indsirables sur la machine comme les

frottements.Elle est moins fiable que celle cage cause de la prsence du s#st)me balais5bague et le

bobinage du rotor.

Fcessite une maintenance priodique, ce qui va augmenter le co t d e*ploitation.


16/37

16

Avantages et inconvnients de l nergie o lienneLnergie olienne a des avantages propres permettant sa croissance et son volution entre les

autres sources dnergie, ce qui va lui donner un r!le important dans lavenir.

Lnergie olienne est une nergie renouvelable, contrairement au* autres nergies fossiles, les

gnrations futures pourront tou ours en bnficier.

Lnergie olienne nest pas non plus une nergie risque comme lest lnergie nuclaire et ne

produit pas de dchets.

"est lnergie la moins ch)re entre les nergies renouvelables.

La priode de haute productivit se situe en hiver, ce qui correspond la priode de lanne o

la demande en lectricit est plus forte.

Lnergie olienne poss)de aussi des dsavantages quil faut citer

Le bruit arod#namique li la vitesse de rotation du rotor.Limpact sur les parcours migratoires des oiseau* et limpact visuel.

La perturbation de la rception des ondes hert2iennes, ce qui provoque la distorsion des images

tlvises.

"est une source couteuse rendement faible dans les sites moins vents.


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19

Modlisation de la Machine Asynchrone D oubleAlimentation (MADA)

Le mod)le de la - ( est quivalent au mod)le de la machine as#nchrone, une diffrence pr)s les enroulements rotoriques ne sont plus en court5circuit et sont accessibles via d un s#st)me balais bague, par consquent les tensions diphases rotoriques du mod)le ne sont plus nulles. Lemod)le diphas de la - ( dans le rfrentiel $d,q% li au champ tournant est donn par :

quations lectriques

quations magntiques

quation mcanique

vec


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1:

Rsultats d e si mulationLes rsultats de simulation du gnrateur as#nchrone rotor court5circuit sont illustrs par les figuresci5dessous

Vitesse de rotation et couple lectromagntique

0 1 20

20

40

60

80

100

120

140

160

180

v i t e s s e d e r o t a

t i o n ( r a d / s )

temps ( s)0 1 2

-200

-150

-100

-50

0

50

c o u p l e l e c t r o m a

g n t i q u e ( N . m )

temps ( s)


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1=

ourant d!une p"ase statorique et rotorique

0 1 2-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

i a s ( A )

temps ( s)0 1 2

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

i a r ( A )

temps ( s)


20/37

CB

Commande des puissances active et ractive de la MADA Modle de la MADA avec orientation du ux statorique

En orientant un des flu*, le mod)le obtenu de la - ( se simplifie et le dispositif de commandequi en rsulte lest galement.7n contr!le vectoriel de cette machine a t con4u en orientant le

rep)re de 'arA pour que le flu* statorique suivant la*e q soit constamment nul.

Fous pouvons crire

vec


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C1

'our la commande de la gnratrice, des e*pressions sont tablies montrant la relation entreles courants et les tensions rotoriques qui lui seront appliques.

7n schma bloc qui comporte en entres les tensions rotoriques et en sorties les puissancesactives et ractives statoriques est tabli dans la figure ci5dessous.


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CC

Commande directeSynthse du rgulateur PI

(ans un premier temps une commande base de rgulateurs 'G sera ralise. "ette derni)re en tant

simple et rapide mettre en ;uvre, procure lavantage davoir des performances acceptables.La figure ci5dessous montre une partie de notre s#st)me boucl et corrig par un rgulateur 'G dont

la fonction de transfert est de la forme

Synthse du rgulateur IP(ans cette partie seront utiliss des rgulateurs G'. "es derniers sont analogues au* rgulateurs 'G

sauf que les actions proportionnelles et intgrales sont mises en srie contrairement au* rgulateurs

'G ou ces actions sont mises en parall)le.


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C3

Commande de la MADA par mode glissantEtant un cas particulier de la commande structure variable, la commande par mode glissant aconnu un grand succ)s ces derni)res annes. "ela est d la simplicit de mise en ;uvre et larobustesse par rapport au* incertitudes du s#st)me et des perturbations e*ternes entachant le

processus. Commande de l a puissance active

'our commander la puissance on prend r H 1, le*pression de la surface de commande de la puissance active a pour forme

La drive de la surface est

La grandeur de commande quivalente scrit

Le terme de commutation est donn par


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CD

Commande de la puissance ractive'our commander la puissance on prend r H 1, le*pression de la surface de commande de la

puissance ractive a pour forme

La drive de la surface est

La grandeur de commande quivalente scrit

Le terme de commutation est donn par

Rsultats d e si mulationpr)s modlisation de la machine et s#nth)se de la commande, nous avons simul le

fonctionnement du s#st)me rgler. Fous avons donc soumis ce s#st)me des chelons de puissance active et ractive afin d observer le comportement de sa commande vis55vis de lavariation de la consigne.

Entre les instant tH1s et tHCs chelon ngatif pour la puissance active $'ref passe de 1BBB 5DBBBI%.

Entre les instant tH1s et tHCs chelon ngatif pour la puissance ractive $Jref passe de 1BBB 51BBB K %.


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C0

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

c e m ( N . m )

temps (s)

Rgulateur PI

0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-6

-4

-2

0

2

p h i q r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

c e m ( N . m )

temps (s)

Rgulateur IP

0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-6

-4

-2

0

2

p h i q r ( W b )

temps (s)0.5 1 1.5 2

-6

-4

-2

0

2

p h i q r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

c e m ( N . m )

temps (s)

RMG

ouple lectromagntique et #lu$ rotoriques selon l%a$e d et q


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C6

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

rgulateur P I

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

rgulateur IP

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

RMG

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)

ourant d%une p"ase statorique et d%une p"ase rotorique


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C9

0.5 1 1.5 2-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

P s ( W )

temps (s)

rgulateur PI

0.5 1 1.5 2-2000

-1000

0

1000

2000

Q s ( V A R )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

P s ( W )

temps (s)

rgulateur IP

0.5 1 1.5 2-2000

-1000

0

1000

2000

Q s ( V A R )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

P s ( W )

temps (s)

RMG

0.5 1 1.5 2-2000

-1000

0

1000

2000

Q s ( V A R )

temps (s)

&a puissance acti'e et r acti'e statorique ()est du sui'ie de consignes*


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C:

MADA Intgrer dans un systme olienLe s#st)me olien a pour but de convertir lnergie cintique du vent en nergie mcaniquedisponible sur un arbre de transmission puis en nergie lectrique par lintermdiaire dunegnratrice.

Modlisation du convertisseur olien Modlisation de la turbineLa puissance cintique totale disponible sur la turbine dune olienne est donne par

"ependant, seule une partie de lnergie disponible peut &tre capte par lolienne

coefficient de puissance.

Modlisation du multiplicateur

quation mcanique de larbre

J: "est linertie totale qui appara/t sur le rotor de la gnratrice.


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C=

La cascade Onduleur-Redresseur Modlisation de londuleur deux niveaux

Le mod)le de londuleur deu* niveau* est donn par le s#st)me suivant


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3B

Stratgie de commande de londuleur deux niveaux Fous tudions la stratgie suivante

?riangulo5


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31

Redresseur triphas d iodesLa tension dalimentation de londuleur associ la - ( est gnre par un redresseur diodesschmatis par la figure ci5dessous

Rsultats d e si mulation

0.5 1 1.5 25

10

15

v i t e s s e d u v e n t ( m / s )

temps ( s)

0.5 1 1.5 20

1

2x 10

4

P s ( W )

temps ( s)

0.5 1 1.5 2-2

-1

0x 10

4

Q s ( V A R )

temps ( s)


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3C

0.5 1 1.5 2-50

0

50

c e m ( N . m )

temps (s)

rgulateur PI

0.5 1 1.5 2-2

0

2

4

6

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2

-5

0

5

p h i q r ( W

b )

temps (s)0.5 1 1.5 2

-5

0

5

p h i q r ( W

b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-2

0

2

4

6

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-50

0

50

c e m

( N . m )

temps (s)

rgulateur IP

0.5 1 1.5 2-50

0

50

c e m

( N . m )

temps (s)

RMG

0.5 1 1.5 2-2

0

2

4

6

p h i d r ( W b )

temps (s)

0.5 1 1.5 2

-5

0

5

p h i q r ( W b )

temps (s)

ouple lectromagntique et #lu$ rotoriques selon l%a$e d et q


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33

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

rgulateur PI

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)0.5 1 1.5 2

-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

rgulateur IP

0.5 1 1.5 2-20

-10

0

10

20

i a s ( A )

temps (s)

RMG

0.5 1 1.5 2-40

-20

0

20

40

i a r ( A )

temps (s)

ourant d%une p"ase statorique et d%une p"ase rotorique


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3D

0.5 1 1.5 2

-5000

0

5000

P s ( W )

temps (s)

rgulateur PI

0.5 1 1.5 2-4000

-2000

0

2000

4000

Q s ( V A R )

temps (s)0.5 1 1.5 2

-4000

-2000

0

2000

4000

Q s ( V A R )

temps (s)

0.5 1 1.5 2

-5000

0

5000

P s ( W )

temps (s)

rgulateur IP

0.5 1 1.5 2

-5000

0

5000

P s ( W )

temps (s)

RMG

0.5 1 1.5 2-4000

-2000

0

2000

4000

Q s ( V A R )

temps (s)

&a puissance acti'e et r acti'e statorique ()est du sui'ie de consignes*


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Conclusion Gnrale et PerspectivesLe travail effectu dans ce mmoire a comme ob ectif la modlisation d un s#st)me global degnration d lectricit partir d nergie olienne, et l tude de diffrents s#st)mes de commandede la gnratrice.

(ans le conte*te des nergies renouvelables, une tude gnrale sur l nergie olienne a t prsent, ainsi les machines lectriques utilises dans la conversion arod#namique, nous avons prsent une tude gnrale sur la machine as#nchrone double alimentation. Fous avons donn le mod)le diphas de la - ( dans le rfrentiel $d,q% li au champ tournant.Les rsultats de la simulation nous ont permis de visualiser lvolution des grandeurs lectriqueset mcaniques de la gnratrice as#nchrone.>n a trait aussi l aspect commande des puissances active et ractive de la - ( pour le

fonctionnement en gnrateur. >n a prsent trois t#pes de rgulateurs ncessaire la ralisationde cette commande. 'uis on a simul le s#st)me rgler.le mod)le de la - ( est intgrer dans un s#st)me olien, la modlisation de la turbine est

prsente, ainsi la modlisation de l alimentation rotorique de la - ( . Les rsultats montrentque l onduleur deu* niveau* introduit des harmoniques dans les courants du rotor et parconsquent les puissances active et ractive statoriques de la - ( .(es perspectives intressantes pouvant contribuer l amlioration du fonctionnement dudispositif - ( convertisseur sont envisageables

Etablissement d un mod)le de la - ( avec orientation du flu* statorique prenant notammenten compte la rsistance de phase statorique.

'rise en compte de la saturation magntique.7tilisation de convertisseurs multi niveau*.Ladaptation dautres techniques de commande pour la - ( .


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Gntgration ventuelle d un s#st)me de stocAage et optimisation technique et conomique dela cha/ne de conversion.Etude des perturbations inhrentes au couplage du dispositif avec le rseau

actions de la gnratrice vis vis des dsquilibres du rseau, des creu* de tensions et desfluctuations.

actions du rseau vis vis de l intermittence et l irrgularit de la production de l nergie.Gnteractions avec les autres gnratrices du rseau.Gntgration de la - ( dans un parc olien mi*te avec ou sans stocAage.


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