Simulation de La Commande Vectorielle Par Régulateurs à Mode Glissant d'Une Chaine Éolienne à...

Mmoire prsent en vue de lobtention

du diplme de

Magister en : Electrotechnique

Option : Energies Renouvelables

Simulation de la commande vectorielle par rgulateurs

mode glissant dune chane olienne base dune

machine asynchrone double alimentation

Prsent par :

Bennour Cherif

Soutenu publiquement le 19/11/2012

Devant le jury compos de :

Pr. Achour BETKA Professeur Prsident Universit de Biskra

Dr. Amor BOUREK Matre de Confrences A Rapporteur Universit de Biskra

Dr. Abdelhamid BENAKCHA Matre de Confrences A Examinateur Universit de Biskra

Dr. Arezki MENACER Matre de Confrences A Examinateur Universit de Biskra

Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire

Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit Mohamed Khider Biskra

Facult des Sciences et de la technologie

Dpartement : Gnie lectrique

Ref :

: :

Remerciements

Les travaux prsents dans ce mmoire ont t effectus au sein du laboratoire de

gnie lectrique de luniversit de Biskra (LGEB)

Ainsi, je tiens exprimer mes vifs remerciements Monsieur Amor BOUREK,

matre de confrences de luniversit de Biskra, pour avoir dirig ce travail, et

pour la confiance et l'intrt qu'il a tmoign tout au long de la ralisation de ce

travail.

Mes remerciements distingus vont Monsieur Achour BETKA, professeur de

luniversit de Biskra, pour m'avoir fait l'honneur de prsider le jury.

Je remercie vivement Monsieur Abdelhamid BENAKCHA, matre de confrences

de luniversit de Biskra, pour avoir accept d'examiner ce mmoire.

Mes vifs remerciements vont aussi monsieur Arezki MENACER, Matre de

confrences de luniversit de Biskra pour avoir accepter d'examiner ce travail en

me faisant lhonneur de participer ce jury.

Enfin je remercie tous ceux qui ont particip de prs ou de loin l'laboration de

ce travail.

:

(

) .

.

.

.

: .

Rsum :

Ce travail prsente une technique de commande par mode glissant applique au systme de

conversion dnergie olienne quipe dune gnratrice asynchrone double alimentation. Cette technique trouve sa plus forte justification aux problmes dincertitudes du modle par lutilisation dune loi de commande non linaire. Lobjectif est dappliquer cette commande pour contrler lchange des puissances active et ractive gnres par la machine asynchrone avec le rseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Les

rsultats de simulations numriques obtenus montrent lintrt croissant dune telle commande dans les systmes lectriques.

Mots cls : gnratrice asynchrone double alimentation, mode glissant, commande

vectorielle, contrle des puissances

Abstract:

This work present a technique of sliding mode control applied to the system of wind energy

conversion equipped with a doubly-fed induction generator. This technique finds its strongest

justification for model uncertainty problems by using a nonlinear control law. The goal is to

apply this command to control the exchange of active and reactive power generated by the

doubly-fed induction generator with the network acting on the rotor signals via a bidirectional

converter. The numerical simulation results obtained show the growing interest of such a

control in electrical systems.

Keywords: doubly-fed induction generator, sliding mode, oriented flux control, power

control.

Notation et symbole

symbole

V : Vitesse du vent

VP : Densit de probabilit de la vitesse du vent k : Facteur de forme de la courbe VP C : Facteur dchelle de la courbe VP

moyV : Vitesse moyenne du vent

0ff : Frquence des vents clams

1V : Vitesse du vent en amont de larognrateur

2V : Vitesse du vent en aval de larognrateur

: Masse volumique de lair S : Surface balaye par les ples

mP : Puissance extraite du vent

mtP : Puissance totale du vent

pC : Coefficient de puissance

R : Rayon des pales

1 : Vitesse de rotation avant le multiplicateur

2 : Vitesse de rotation aprs multiplicateur

nP : Puissance nominale

nV : Vitesse nominale du vent

estV : Vitesse du vent estime

estt. : Vitesse de rotation estime de la turbine

estgC . : Couple estim de la turbine

maxV : Vitesse maximale du vent

minV : Vitesse minimale du vent

: Angle de calage

opt : Vitesse de rotation optimale de la gnratrice

min : Vitesse de rotation minimale de la gnratrice

max : Vitesse de rotation maximale de la gnratrice

: Vitesse spcifique

opt : Vitesse spcifique optimale

P : Variation de puissance

V : Variation de la vitesse de vent

emC : Couple lectromagntique

aerC : Couple arodynamique avant multiplicateur

gC : Couple mcanique aprs multiplicateur

refemC : Couple lectromagntique de rfrence

ref : Vitesse de rotation de rfrence

r : Vitesse de rotation de la machine

t : Vitesse de rotation de la turbine

sF : fonction de transfre du rgulateur de vitesse J : moment dinertie totale

Notation et symbole

mJ : moment dinertie de la machine

tJ : moment dinertie de la turbine

maxcp : Vitesse spcifique correspondant Cp max

rC : Couple rsistant d au frottement

tV0 : Vitesse du vent en un point

tV : Vitesse du vent lentement variable tVt : Vitesse du vent turbillant

vL : Echelle de longueur de la turbulence

v : Ecart type de la turbulence

K : Coefficient dintensit de la turbulence

tC : Coefficient de couple

mf : Coefficient de frottement de la machine

tf : Coefficient de frottement de la turbine

abcsV : Tensions simples du stator de la MADA

abcrV : Tensions simples du rotor de la MADA

abcsI : Courants du stator de la MADA

abcrI : Courants du rotor de la MADA

abcs : Flux statorique de la MADA

abcr : Flux rotorique de la MADA

sR : Rsistance dune phase due stator

rR : Rsistance dune phase du rotor

sL : Inductance propre dune phase du stator

rL : Inductance propre dune phase du rotor

ssM : Inductance mutuelle entre phases du stator

srM : Inductance mutuelle entre phase du stator et du rotor

rrM : Inductance mutuelle entre phases du rotor

M : Inductance mutuelle maximale

pn : Nombre de paires des ples

dsV , qsV : Composantes de la tension statorique respectivement suivant laxe d et q

drV , qrV : Composantes de la tension rotorique respectivement suivant laxe d et q

dsI , qsI : Composantes du courant statorique respectivement suivant laxe d et q

drI , qrI : Composantes du courant rotorique respectivement suivant laxe d et q

qs , qs : Composantes du flux statorique respectivement suivant laxe d et q

dr , qr : Composantes du flux rotorique respectivement suivant laxe d et q

P : Matrice de transformation directe de PARK

1P

: Matrice de transformation inverse de PARK

coor : Vitesse de rotation du repre de PARK

s : Vitesse lectrique du champ tournant

r : Vitesse lectrique du rotor

Notation et symbole

gl : Vitesse angulaire du glissement

abcV : Tensions efficaces de la ligne

lR : Rsistance de la ligne

lL : Inductance de la ligne

abcS : Etat des interrupteurs de londuleur

dcU : Tension aux bornes du bus continu (tension redresse)

sP : Puissance active statorique

sQ : Puissance ractive statorique

rP : Puissance active rotorique

rQ : Puissance ractive rotorique

refsP : Puissance active de rfrence statorique

refsQ : Puissance ractive de rfrence statorique

xS : Surface de glissement dune variable rguler

xS

: Driv de la surface de glissement dune variable rguler

xV : Fonction de Lyapunov

PS : Surface de glissement pour puissance active

QS : Surface de glissement pour puissance ractive

xe : Erreur entre la rfrence et la variable rguler

r : Degr relatif de la surface de glissement

nu : Commande discontinue

equ : Commande quivalente

sf : Frquence statorique

rf : Frquence rotorique

g : Glissement

G : Gain du multiplicateur

RMG : rgulateur mode glissant

Sommaire

Sommaire :

Introduction gnrale .............................................................................................................. 1

Chapitre 01 : conversion de lnergie olienne : principe et modlisation des turbines

1. Introduction .......................................................................................................................... 3

2. Historique .............................................................................................................................. 3

3. Descriptif et qualit de lnergie olienne .......................................................................... 4

3.1 Dfinition de lnergie olienne ................................................................................... 4 3.2 Origine du Vent ............................................................................................................ 4

3.3 Caractristique horizontale du vent ........................................................................... 4

3.3.1 Distribution de Weibull ......................................................................................... 5

3.3.2 Distribution hybride de Weibull ........................................................................... 5

3.3.3 Distribution de Rayleigh ...................................................................................... 6

4. Les diffrents types doliennes ........................................................................................... 6

4.1 Eoliennes axe horizontal ........................................................................................... 6

4.2 Eoliennes axe vertical (VAWT) .................................................................................. 7

5. Principaux composants dune olienne axe horizontal ................................................... 7

6. Energie cintique du vent et conversion en nergie mcanique ........................................ 9

6.1 Loi de Betz notions thoriques ................................................................................. 9 6.2 Production dnergie mcanique .............................................................................. 11

7. Rgulation mcanique de la puissance dune olienne .................................................... 12

7.1 Le systme pitch ................................................................................................... 12

7.2 Le systme stall ..................................................................................................... 13

7.3 Production optimale d'nergie .................................................................................. 14

8. Les diffrents types dMPPT oliens .................................................................................. 14

8.1 Maximisation de la puissance sans la connaissance de la courbe caractristique de

la voilure ........................................................................................................................ 15

8.2 Maximisation de la puissance avec connaissance de la courbe caractristique de la

voilure ............................................................................................................................. 15

8.3 Maximisation de la puissance avec asservissement de la vitesse .............................. 15

8.4 Maximisation de la puissance sans asservissement de la vitesse ............................. 16

9. Types des machines lectriques ........................................................................................ 16

9.1 Gnratrices asynchrones cage .............................................................................. 17

9.2 Machines asynchrones double alimentation (MADA) ........................................... 18

9.3 Gnratrices synchrones ............................................................................................. 19

10. Avantages et inconvnients de lnergie olienne ........................................................... 20

11. Modlisation de la partie mcanique de la chane de conversion .................................. 21

11.1 Modlisation de la vitesse du vent ............................................................................ 21

11.1.1 Expression du vent en un point fixe ................................................................ 21

11.1.2 Filtre spatial ....................................................................................................... 22

11.2 Modle de la turbine .....................................................................................................................24

11.2.1 Modlisation de larbre de la machine ..............................................................................25 11.2.3 Modlisation du multiplicateur .......................................................................... 25

12. Conclusion ........................................................................................................................ 26

Sommaire

Chapitre 02 : Etude et modlisation de la machine

asynchrone double alimentation

1. Introduction ........................................................................................................................ 27

2. Structure de la machine ..................................................................................................... 27

3. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone double alimentation ............... 27

4. Classification des machines double alimentation ........................................................... 28

5. Domaine dapplication de la MADA .................................................................................. 29

5.1 Fonctionnement moteur pour applications industriels ................................ 29

5.1.1 Fonctionnement en moteur avec deux convertisseurs ........................................ 30

5.1.2 Fonctionnement en moteur avec un seul convertisseur ...................................... 30

5.2 Systmes de gnration olienne vitesse variable ...................................... 31

6. Diffrentes structures dalimentation de la MADA dans les systmes oliens ........... 32

6.1 Machine asynchrone double alimentation type brushless .............. 32

6.2 MADA nergie rotorique dissipe .................................................................. 32

6.3 Structure de kramer ............................................................................................. 33

6.4 Structure de Scherbius avec convertisseurs MLI ........................................ 33

6.5 Structure de Scherbius avec cyclo-convertisseur ....................................... 34

6.6 Convertisseur Matriciel ........................................................................................ 34

7. Mode de fonctionnement de la MADA ............................................................................... 35

7.1 Fonctionnement en mode moteur hyposynchrone ....................................... 35

7.2 Fonctionnement en mode moteur hypersynchrone ....................................... 35

7.3 Fonctionnement en mode gnrateur hyposynchrone ................................ 36

7.4 Fonctionnement en mode gnrateur hypersynchrone .............................. 36

8. Modlisation de la machine double alimentation ........................................................... 37

8.1 Hypothses simplificatrices ....................................................................................... 37

8.2 Modle de la MADA dans le repre abc ................................................................... 37

8.3 Changement de repre ............................................................................................. 40

8.3.1 Transformation de Park ........................................................................................ 40

8.3.2 Equations lectriques et magntiques dans le systme daxe (d, q) .................. 41 8.4 Choix du rfrentiel .................................................................................................... 42

8.5 Modle biphas de la MADA li au champ tournant ............................................... 42

8.6 Mise sous forme dquations dtat ........................................................................... 44

9. Simulation de la machine asynchrone a double alimentation ......................................... 44

10. Modlisation de lalimentation de la MADA commande par le rotor .......................... 48

10.1 Structure gnrale du redresseur MLI .................................................................. 49

10.1.1 Principe de fonctionnement en redresseur MLI ................................................ 50

10.1.2 Reprsentation fonctionnelle du redresseur MLI dans le rfrentiel triphas .. 51

10.1.2 Rsultats de simulation ....................................................................................... 53

10.2 Modlisation de londuleur triphas MLI ......................................................... 53

11. Conclusion ........................................................................................................................ 55

Chapitre 03 : contrle de la puissance active et ractive

par des rgulateurs PI

1. Introduction ......................................................................................................................... 56

2. Principe de la commande vectorielle ................................................................................. 57

3. Modle de la MADA avec orientation du flux statorique ................................................. 57

3.1 Choix du rfrentiel pour le modle diphas ............................................................. 58

4. Rsultats de simulation ...................................................................................................... 61

Sommaire

4.1 Essai 01 : fonctionnement vitesse fixe ...................................................................... 61

4.1.1 Interprtation des rsultats .................................................................................... 64

4.2 Essai du fonctionnement en MPPT ........................................................................... 64

4.2.1 Stratgie MPPT ..................................................................................................... 64

4.2.2 Rsultats de simulation ......................................................................................... 65

4.2.3 Interprtation des rsultats .................................................................................. 68

5. Conclusion .......................................................................................................................... 68

Chapitre 04 : contrle de la puissance active et ractive

par des rgulateurs mode glissant

1. Introduction ........................................................................................................................ 69

2. Principe de la commande par mode de glissement des systmes structure variable ..... 69

3. Conception de la commande par mode de glissement ....................................................... 70

3.1 Choix des surfaces de glissement ................................................................................ 71

3.2 Conditions de convergence ......................................................................................... 70

3.3 Fonction de Lyapunov ................................................................................................ 72

4. Dtermination de la loi de commande ............................................................................... 72

4.1 La commande quivalente .......................................................................................... 72

4.2 La commande discontinue de base ............................................................................. 74

5. Utilisation du RMG pour le contrle de la puissance active et ractive de la MADA ...... 76

5.1 Contrle de la puissance active .................................................................................. 77

5.2 Contrle de la puissance ractive ............................................................................... 77

5.3 Calcul des paramtres VqrK et VdrK ......................................................................... 78

6. Rsultats de simulation ....................................................................................................... 80

6.1 Essai de fonctionnement vitesse fixe ....................................................................... 80

6.1.1 Interprtation des rsultats .................................................................................. 82

6.2 Essai de fonctionnement en MPPT ............................................................................ 82

6.2.1 Interprtation des rsultats .................................................................................... 85

7. Comparaison entre la commande par rgulateur PI et RMG .......................................... 86

7.1 Variation de la rsistance rotorique ........................................................................... 87

7.2 Variation de la vitesse du vent .................................................................................... 88

8. Conclusion .......................................................................................................................... 89

Conclusion gnrale ............................................................................................................... 90

Annexe

Bibiliographie

Liste des figures :

Liste des figures :

Fig.1.1: Conversion de l'nergie cintique du vent .................................................................... 4

Fig.1.2 :Type de montage de la voilure a) upwind b) downwind .............................................. 7

Fig.1.3 :Turbines axe vertical .................................................................................................. 7

Fig.1.4 : principaux parties d'une olienne ............................................................................... 8

Fig.1.5: Tube de courant autour d'une olienne ......................................................................... 9

Fig.1.6: Coefficient de puissance ............................................................................................. 10

Fig.1.7: Coefficient de puissance pour diffrents types doliennes ....................................... 10

Fig.1.8: Puissance thorique disponible pour un type d'olienne donn .................................. 11

Fig.1.9 :Caractristique puissance/vitesse du vent dune olienne classique ........................... 12

Fig.1.10 La caractristique dune olienne en fonction de pour diffrentes valeurs de .. 13

Fig.1.11 : Puissance fournie dune olienne en fonction sa la vitesse ..................................... 13

Fig1.12 : Loi de commande optimale d'une olienne vitesse variable .................................. 14

Fig.1.13 : bouclage de la generatrice au rseau ....................................................................... 14

Fig.1.14 : Systme olien bas sur la machine asynchrone cage ........................................... 17

Fig 1.15: Systme olien bas sur la machine asynchrone cage frquence variable .......... 18

Fig.1.16 : Systme olien bas sur la machine asynchrone rotor bobin variation de la

vitesse de rotation par rglage de la rsistance du rotor ........................................................... 18

Fig.1.17: Systme olien bas sur la machine asynchrone double alimentation rgulation

de la vitesse de rotation par action sur le glissement ................................................................ 19

Fig.1.18 Systme olien bas sur la machine synchrone aimants permanents ...................... 19

Fig.1.19 : Systme olien bas sur la machine synchrone ....................................................... 20

Fig.1.20: Construction dune srie temporelle de la vitesse du vent ........................................ 22

Fig.1.21 : Profil de vent dur de 300s ...................................................................................... 23

Fig.1.22 : dfinition de 3 niveaux du vent avant et aprs le filtre spatial ................................. 23

Fig.1.23 : (a) Coefficient de la puissance et (b) puissance mcanique de la turbine ............... 25

Fig 1.24 : Schma synoptique du modle dynamique de la turbine olienne .......................... 26

Fig.2.1 : Structure du stator et des contacts rotoriques de la MADA ....................................... 27

Fig.2.2 : Schma de principe dune simple MADA ................................................................. 28

Fig.2.3 : Schma de principe de deux MADAs en cascade ...................................................... 28

Fig.2.4: Schma de principe de deux machines asynchrones relies mcaniquement et

lectriquement par le rotor ........................................................................................................ 29

Fig.2.5: Schma dun systme utilisant une MADA en moteur aliment par deux

convertisseurs ........................................................................................................................... 30

Fig.2.6 : Schma dun systme utilisant une MADA en moteur aliment par un seul

convertisseur ............................................................................................................................. 31

Fig..2.7 : Schma de lalimentation de la MADA pour une application gnratrice ............... 31

Fig. 2.8 : Machine asynchrone double bobinage au stator .................................................... 32

Fig.2.9 : Variation de la vitesse par rglage de la rsistance du rotor ...................................... 32

Fig.2.10 : Structure de kramer .................................................................................................. 33

Fig.2.11: Structure de Scherbius avec convertisseurs MLI ...................................................... 33

Fig.2.12: Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur ....................................................... 34

Fig.2.13: Structure avec convertisseur matriciel ...................................................................... 35

Liste des figures :

Fig.2.14 :Fonctionnement en mode moteur hyposynchrone .................................................... 35

Fig.2.15 :Fonctionnement en mode moteur hypersynchrone ................................................... 36

Fig.2.16 :Fonctionnement en mode gnrateur hyposynchrone .............................................. 36

Fig.2.17 :Fonctionnement en mode gnrateur hypersynchrone .............................................. 36

Fig.2.18 :Reprsentation schmatique dune MADA .............................................................. 37

Fig.2.19 :Reprsentation de la MADA dans le repre de Park................................................. 40

Fig.2.20 :Composantes du flux statorique ................................................................................ 45

Fig.2.21 :Composantes du courant statoriques ......................................................................... 45

Fig.2.22 : Vitesse et couple lectromagntique ........................................................................ 45

Fig.2.23 :Puissance active et ractive du stator ........................................................................ 46

Fig.2.24 :Vitesse et couple lectromagntique ......................................................................... 47

Fig.2.25 :Courants statorique et rotorique ................................................................................ 47

Fig.2.26: Structure dalimentation de la MADA par un cascade onduleur- redresseur MLI ... 47

Fig. 2.27 :Signal de porteuse et les signaux de rfrence ......................................................... 48

Fig.2.28 : Modulateur MLI bande dhystrsis ..................................................................... 48

Fig.2.29 : Schma de principe dun redresseur MLI ................................................................ 49

Fig.2.30 : Schma fonctionnel dun redresseur MLI ................................................................ 50

Fig.2.31 : Redresseur MLI triphas et sa commande ............................................................... 53

Fig.2.32 : Allure de la tension du bus continu dcU et du courant de charge chi ...................... 53

Fig.2.33 : Tension de sortie dune phase de londuleur............................................................ 54

Fig.3.1 : Orientation de flux statorique..................................................................................... 58

Fig.3.2 : Schma bloc de la structure de commande par orientation du flux statorique de la

MADA alimente en tension .................................................................................................... 61

Fig.3.3: Vitesse de rotation et le courant de la phase a du stator.............................................. 62

Fig.3.4: Puissance active de stator avec un zoom..................................................................... 62

Fig.3.5 :Puissance ractive de stator avec un zoom ................................................................. 62

Fig.3.6 :Courant statorique selon laxe d et laxe q ................................................................. 63

Fig.3.7 :Puissance active et ractive du rotor ........................................................................... 63

Fig.3.8. : Tensions et les courants rotoriques ........................................................................... 63

Fig.3.9: Schma-bloc de la stratgie MPPT sans mesure de la vitesse du vent ....................... 65

Fig.3.10 :Vitesse du vent et Ct coefficient de puissance Cp ..................................................... 66

Fig.3.11: Couple de la turbine et le couple de la gnratrice Cem............................................. 66

Fig.3.12: Puissance active et ractive du stator avec un zoom ................................................. 66

Fig.3.13: Courant dune phase du stator et le glissement g..................................................... 67

Fig.3.14: Puissance active et ractive du rotor ......................................................................... 67

Fig.3.15: Tensions et les courants rotoriques ........................................................................... 67

Fig.4.1 : Modes de fonctionnement dans le plan de phase ....................................................... 70

Fig.4.2 : Trajectoire de ltat vis--vis de la surface ................................................................ 72

Fig.4.3 : Schma fonctionnelle de la commande quivalente .................................................. 73

Fig.4.4: Commande quivalente equ ........................................................................................ 74

Fig.4.5 : Fonction sign ........................................................................................................ 74

Fig.4.6 : Commande adoucie sat ....................................................................................... 75

Liste des figures :

Fig.4.7 : Commande intgrale .................................................................................................. 76

Fig.4.8: Schma bloc de la structure de commande par mode glissant .................................... 78

Fig.4.9 : Puissance active du stator avec un zoom ................................................................... 80

Fig.4.10 :Puissance ractive du stator avec un zoom ............................................................... 80

Fig.4.11 :Composantes du courant du rotor rotor Idr et Iqr ....................................................... 81

Fig.4.12 :Tensions et courants rotorique .................................................................................. 81

Fig.4.13 :Puissance active et ractive rotorique ....................................................................... 81

Fig.4.14: Vitesse de rotation V(m/s) et courant du stator ......................................................... 82

Fig.4.15 :Vitesse du vent et coefficient de puissance Cp ......................................................... 82

Fig4.16 : Puissance active et ractive du stator ........................................................................ 83

Fig4.17 : Puissance active et la puissance ractive du rotor ..................................................... 83

Fig4.18 : Courants et les tensions rotoriques ............................................................................ 83

Fig4.19: Couple de la turbine et le couple de la gnratrice .................................................... 84

Fig4.20 :Vitesse de rotation du gnratrice et le glissement .................................................... 84

Fig4.21 :Courant du stator ........................................................................................................ 84

Fig.4.22 :Puissance active et ractive du stator obtenues par rgulateur PI ............................. 86

Fig.4.23 :Puissance active et ractive du stator obtenues par RMG......................................... 86

Fig.4.24 :Puissance active et ractive du stator obtenues par rgulateur PI avec une

augmentation de 30% de la resistance rotorique ...................................................................... 87

Fig.4.25 :Puissance active et ractive du stator obtenues par RMG avec une augmentation de

30% de la resistance rotorique .................................................................................................. 87

Fig.4.26 :Profil du vent utilis .................................................................................................. 88

Fig.4.27 :Puissance active et ractive du stator obtenues par rgulateur PI ............................. 88

Fig.4.28 :Puissance active et ractive du stator obtenues par RMG......................................... 89

Liste des figures :

Introduction gnrale

1

Introduction gnrale :

La croissance constante de la consommation dnergie sous toutes ses formes et les

effets polluants associs, principalement causs par la combustion des nergies fossiles, sont

au cur de la problmatique du dveloppement durable et du soin de lenvironnement dans

une discussion pour lavenir de la plante.

Le secteur de la gnration lectrique est le premier consommateur dnergie primaire et

les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles. Il est techniquement et

conomiquement capable de faire des efforts importants pour rduire les atteintes de lactivit

humaine sur le climat et lenvironnement. Une des possibilits est daccrotre le taux de

production dlectricit partir de ressources de type non-fossiles et renouvelables [1].

Dans ce contexte gnral, notre tude sintresse la filire olienne qui semble une des

plus prometteuses avec un taux de croissance mondial trs lev[2]. Si la filire du grand

olien (fermes de forte puissance, sites offshore,) est en pleine expansion, lide de

dcentraliser lnergie en produisant de petites quantits de faon localise (proche du besoin)

est de plus en plus prsente. Parmi les applications potentielles de ce quon lhabitude de

qualifier de petit olien (gamme jusqu 100kW), on peut citer le domaine de

llectrification rurale pour une consommation locale dlectricit ou pour sa transformation

vers dautres secteurs nergtiques : pompage, traitement de leau, lectrolyse de leau et

stockage dhydrogne plus long terme,...Au del de ces rseaux isols, on parle aussi

aujourdhui dintgration des nergies renouvelables en site urbain. En effet, suite notamment

aux incidents rcemment intervenus sur les rseaux nationaux et internationaux, et dans le

contexte dlicat de la drglementation du secteur de lnergie, lide dun habitat

partiellement, voir totalement autonome en nergie ( btiment zro nergie ) fait son

chemin. Or, pour ce qui concerne lolien, les gisements proximit des habitations sont

nettement moins rguliers et a priori moins performants que les sites dgags et ncessitent

imprativement une gestion optimise (systmes frquence variable,) tout en restant peu

coteuse.

La multiplication des oliennes a conduit les chercheurs en gnie lectrique mener des

investigations de faon amliorer l'efficacit de la conversion lectromcanique et la qualit

de l'nergie fournie [3].

De nos jours, la machine asynchrone double alimentation (MADA) est la machine

vitesse variable la plus couramment utilise dans des units de production olienne suprieure

Introduction gnrale

2

1MW. Pour une mme puissance de production, celle-ci permet de rduire la puissance des

convertisseurs de puissance tout en gnrant une puissance de sortie importante par rapport

aux autres technologies des machines [4].

Les oliennes sont aussi quipes dun systme de commande bas sur les convertisseurs

dlectronique de puissance pour sadapter aux conditions de vent. Lensemble de lolienne

est contrl de manire maximiser en permanence la puissance produite en recherchant

chaque fois le point de fonctionnement maximum de puissance.

Le prsent mmoire dcrit une tude sur l'utilisation dune machines de type asynchrone

double alimentation dans un systme olien.

Un tat de lart de lnergie olienne sera prsent dans le premier chapitre de ce

mmoire. Dans ce cadre, la technologie olienne est alors aborde. Les mthodes de

description du gisement olien sont donnes, ce qui est un des facteurs du choix de la

configuration de la chane olienne. Larchitecture des chanes de conversion dnergie sont

donns en association avec diffrents types de gnratrices. A la fin de ce chapitre, nous

avons donn un modle de la partie mcanique de la chane de conversion utilise (vent et

turbine olienne).

La partie lectrique de la chane de conversion tudie est consacre la machine

asynchrone double alimentation et les convertisseurs dlectronique de puissance qui sont le

sujet du deuxime chapitre. On prsentera des gnralits sur la MADA, ses applications, ses

diffrents modes de fonctionnement suivis par un tat de lart sur la conversion

lectromcanique travers les diffrents types de gnratrices utilises et les convertisseurs

qui leur sont associs. Ensuite, on prsentera la modlisation de la MADA, sa mise en

quation permettra de simuler sont modle dans le mode moteur et gnrateur. On terminera

cette partie par la modlisation de lalimentation de la machine qui se compose dun

redresseur et dun onduleur spar par un bus continu.

Le troisime chapitre sera consacr la commande vectorielle en puissance active et

ractive statorique de la machine asynchrone double alimentation qui est entrane par la

turbine olienne.

Dans le chapitre quatre, nous introduisons un rgulateur mode glissant pour contrler

la puissance active et ractive du stator. Ensuite, une tude comparative des rponses donnes

par ce rgulateur ceux donnes par le rgulateur PI , sera effectue.

Finalement, on terminera ce mmoire par une conclusion gnrale qui rsume les

rsultats obtenus et expose quelques perspectives de recherche futures.

Chapitre 1 : conversion de

lnergie olienne : principe et modlisation des turbines

Chapitre 1 Conversion de lnergie olienne : principe et modlisation des turbines

3

1. Introduction

Depuis l'utilisation du moulin vent, la technologie des capteurs oliens n'a cess

d'voluer. C'est au dbut des annes quarante que de vrais prototypes d'oliennes ples

profiles ont t utiliss avec succs pour gnrer l'lectricit. Plusieurs technologies sont

utilises pour capter l'nergie du vent (capteur axe vertical ou axe horizontal) et les structures

des capteurs sont de plus en plus performantes. Outre les caractristiques mcaniques de

l'olienne, l'efficacit de la conversion de l'nergie mcanique en nergie lectrique est trs

importante. L encore, de nombreux dispositifs existent et, pour la plupart, ils utilisent des

machines synchrones et asynchrones. Les stratgies de commande de ces machines et leurs

ventuelles interfaces de connexion au rseau doivent permettre de capter un maximum d'nergie

sur une plage de variation de vitesse de vent la plus large possible, ceci dans le but d'amliorer la

rentabilit des installations oliennes.

2. Historique

Il ya plus de 3000 ans dj, lnergie du vent tait transforme en nergie mcanique,

dune part sur terre par les moulins et des systmes de pompage de 1'eau, dautre part en mer, par

les bateaux [5]. La gnration d'nergie lectrique par le vent a dbute la fin du 19eme

sicle.

Parmi les pionniers on peut citer Paul La Cour au Danemark qui a associ une dynamo une

olienne en 1891. Dans les annes 1950. Johannes Juul (lve de Paul La Cour) devient aussi

un pionnier dans l'utilisation de 1'nergie olienne en construisant les premires oliennes

produisant du courant alternatif.

La premire crise ptrolire en 1973 contribua veiller 1'intrt pour 1'nergie olienne

dans plusieurs pays. Les USA ont notamment lanc en Californie une opration a grande chelle

au dbut des annes 1980 en passant de 7MWen 1981 a 386 MW en 1985.

Aujourd'hui, les tudes portent sur l'amlioration de l'arognrateur ainsi que sur la chaine

de conversion de 1'nergie du vent en nergie lectrique exploitable par le rseau. Les premires

oliennes mettent en uvre une gnratrice asynchrone lie aux ples par 1'intermdiaire dune

boite de vitesse, fonctionnant vitesse fixe et directement relie au rseau (pas dinterface

lectronique). Cette technologie est surtout employe au Danemark dans les annes 1970. Les

systmes les plus rcents se dirigent dune part vers la vitesse variable pour maximiser la

puissance capte du vent avec 1'insertion dlectronique entre la gnratrice et le rseau, et

dautre part vers l'utilisation de gnratrices spciales tournant a basse vitesse afin de s'affranchir

du rducteur de vitesse [6].


4

3. Descriptif et qualit de l'nergie olienne :

3.1 Dfinition de l'nergie olienne :

Un arognrateur, plus communment appel olienne, est un dispositif qui transforme

une partie de l'nergie cintique du vent (fluide en mouvement) en nergie mcanique disponible

sur un arbre de transmission puis en nergie lectrique par l'intermdiaire d'une gnratrice

(figure 1.1) [3].

3.2 Origine du vent :

Du fait que la terre est ronde, le rayonnement solaire absorb diffre aux ples et

lquateur. En effet, lnergie absorbe lquateur est suprieure celle absorbe aux ples.

Cette variation entrane une diffrence de temprature en deux points qui induit des diffrences

de densit de masse dair provoquant leur dplacement dune altitude une autre.

Ces dplacements sont influencs par la force de Coriolis qui sexerce

perpendiculairement la direction du mouvement vers lest dans lhmisphre nord et vers

louest dans lhmisphre sud.

On pourrait aisment prvoir la direction des vents dominants si elles ntaient pas

perturbes par les orages, les obstacles naturels ou les dpressions cycloniques [7].

3.3 Caractristique horizontale de vent :

Les tudes de modlisation de la distribution des vitesses du vent ont t orientes vers des

modles associant puissance et exponentielle. Les modles usuels tant [8] :

la distribution de Weibull.

la distribution hybride de Weibull.

et la distribution de Rayleigh.

Fig.1.1: Conversion de l'nergie cintique du vent

ENERGIE

CINETIQUE

ENERGIE

MECANIQUE ENERGIE

ELCTRIQUE

ROTOE DE GENERATEUR

ALTERNATEUR

ELECTRIQUE

NACELLE

MULTIPLICATEUR

DE

VITESSE

PALE


5

3.3.1 Distribution de Weibull :

Comme cest difficile de manipuler lensemble des donnes relatives une distribution de

la frquence du vent, il est plus convenable pour des considrations thoriques, de modliser

lhistogramme des frquences des vitesses du vent par une fonction mathmatique continue que

par une table de valeurs discrtes.

On peut donc opter pour le modle de Weibull. En effet, pour des priodes allant de

quelques semaines jusqu une anne, la fonction de Weibull reprsente raisonnablement les

vitesses observes. Il sagit dune fonction de densit de probabilit, sexprimant sous la forme:

k

C

Vk

eC

V

C

kVf

1

(1.1)

Avec VP : est la densit de probabilit de la vitesse V ; k le facteur de forme de la courbe

(sans dimension) et C le facteur dchelle de la courbe en m/s .

La vitesse moyenne du vent peut tre trouve en intgrant la fonction densit de

probabilit, soit donc la formule (1.1) :

dVVfVVmoy (1.2)

Ainsi, la distribution de Weibull peut faciliter beaucoup de calculs rendus ncessaires par

lanalyse des donnes du vent [8].

3.3.2 Distribution hybride de Weibull :

La distribution hybride de Weibull, est utilise lorsque la frquence des vents calmes

enregistre, sur un site donn, est suprieure ou gale 15%. En effet, cette proportion ne peut

pas tre nglige et doit tre prise en compte lors de la caractrisation dun site du point de vue

olien. Cette distribution scrit :

0;

0;exp1

0

1

0

VffVf

VC

V

C

V

C

kffVf

kk

(1.3)

O 0ff reprsente la frquence des vents calmes.


6

Il existe de nombreuses mthodes pour dterminer k et C partir dune distribution de

vent donne [8]:

089.0

51.0

181.01

2483.01

1

125.1

moy

moy

moy

VB

Vk

B

VC

(1.4)

3.3.3 Distribution de Rayleigh :

La distribution de Rayleigh est un cas particulier de la distribution de Weibull pour le cas

o le facteur de forme k est gal 2. Sa densit de probabilit est donne par :

2

22

CV

eC

VVf (1.7)

Toutefois la distribution de Weibull classique (fonction de deux paramtres) est la plus

indique. L'utilisation de ces deux paramtres permet lvaluation dun nombre important de

proprits de la distribution, d'o une meilleure caractrisation des sites [7].

4. Les diffrents types doliennes :

Les oliennes se divisent en deux grandes familles : celles axe vertical et celles axe

horizontal.

4.1 Eoliennes axe horizontal :

Les voilures axe horizontal sont de loin les plus utilises actuellement. Les diffrentes

constructions des arognrateurs utilisent les voilures deux, trois pales (les plus courantes) et

les multipales.

La voilure peut tre place avant la nacelle (upwind) et alors un systme mcanique

dorientation de la surface active de lolienne face au vent est ncessaire. Une autre solution

qui permet dallger la construction par la suppression de toute mcanique dorientation est

lemplacement de la turbine derrire la nacelle (downwind). Dans ce cas la turbine se place

automatiquement face au vent. La figure 1.2 montre les deux procds [2].


7

4.2 Eoliennes axe vertical (VAWT):

Une autre famille doliennes est base sur les voilures axe vertical. Ce type doliennes

est trs peu rpandu et assez mal connue. Elles peuvent avoir un intrt dans certains secteurs

dapplication. Il existe principalement trois technologies :

Les turbines Darrieus classiques ou pales droites (H-type) et la turbine de type Savonius,

comme montr la figure 1.3. Toutes ces voilures sont deux ou plusieurs pales [2].

5. Principaux composants dune olienne axe horizontal:

Il existe plusieurs configurations possibles d'arognrateurs qui peuvent avoir des

diffrences importantes. Nanmoins, une olienne "classique" est gnralement constitue de

trois lments principaux:

Le mt, gnralement un tube d'acier ou ventuellement un treillis mtallique, doit tre le

plus haut possible pour viter les perturbations prs du sol.

Fig.1.3 : Turbines axe vertical

Rotor De Savonius Rotor De Darrieus Rotor en H

Vent Vent

(a) (b) Fig.1.2 : Type de montage de la voilure a) upwind b) downwind


8

La nacelle regroupe tous les lments mcaniques permettant de coupler le rotor olien au

gnrateur lectrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein disque,

diffrent du frein arodynamique, qui permet d'arrter le systme en cas de surcharge.

Le rotor, form par les pales assembles dans leur moyeu.

Le systme lectromcanique (intgr dans la nacelle), qui transforme lnergie mcanique

transmise par la turbine en nergie lectrique et qui regroupe une gnratrice lectrique

avec son environnement.

Le systme dinterconnexion, qui relie le systme lectromcanique (producteur

dlectricit) au consommateur dlectricit.

Le systme de contrle (utilis gnralement pour les systmes oliens de grande

puissance), comportant un dispositif qui surveille en permanence l'tat de l'olienne tout en

contrlant le dispositif d'orientation et essaye aussi de la mettre fonctionner ces

puissances maximales. En cas de dfaillance (par exemple surchauffe du multiplicateur ou

de la gnratrice, etc.), le systme arrte automatiquement l'olienne [9].

Nacelle contenant le

multiplicateur et le

gnrateur

Ple

Mat

Diamtre du

rotor

Surface

balaye

Cble lectrique souterrains

(vue de face)

Fondation

(Vue latrale)

Fig.1.4 : principaux parties d'une olienne [3]

Hauteur

du moyeu


9

6. Energie cintique du vent et conversion en nergie mcanique :

6.1 Loi de Betz notions thoriques :

Considrons le systme olien axe horizontal reprsent sur la (figure 1.5) sur lequel on a

reprsent la vitesse du vent 1V en amont de l'arognrateur et la vitesse 2V en aval.

En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est gale la moyenne entre la

vitesse du vent non perturb l'avant de l'olienne 1V et la vitesse du vent aprs passage travers

le rotor 2V soit 2

21 VV , la masse d'air en mouvement de densit traversant la surface S des

pales en une seconde est [10]:

2** 21

VVSm

(1.8)

La puissance mP alors extraite s'exprime par la moiti du produit de la masse et de la

diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) :

2**2

1VmPm (1.9)

Soit en remplaant m par son expression dans (1.9):

4

))((** 222

121 VVVVSPm

(1.10)

Un vent thoriquement non perturb traverserait cette mme surface S sans diminution de

vitesse, soit la vitesse 1V , la puissance mtP correspondante serait alors :

2

** 31VSPmt

(1.11)

Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale thoriquement disponible

est alors :

2

11

2

1

2

1

2

V

V

V

V

P

P

mt

m (1.12)

V1

S1

V2

S2

Fig.1.5: Tube de courant autour d'une olienne


10

Si on reprsente la caractristique correspondante l'quation ci-dessus (figure 1.6), on

s'aperoit que le ratio mtm PP appel aussi coefficient de puissance pC prsente un maximum de

2716 soit 59.0 . C'est cette limite thorique appele limite de Betz qui fixe la puissance

maximale extractible pour une vitesse de vent donne [3].

Les oliennes marche lente sont munies d'un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur

inertie importante impose en gnral une limitation du diamtre environ 8 m. Leur coefficient

de puissance (figure 1.7) atteint rapidement sa valeur maximale lors de la monte en vitesse mais

dcrot galement rapidement par la suite. Les oliennes marche rapide sont beaucoup plus

rpandues et pratiquement toutes ddies la production d'nergie lectrique. Elles possdent

gnralement entre 1 et 3 pales fixes ou orientables pour contrler la vitesse de rotation. Les

pales peuvent atteindre des longueurs de 60 m pour des oliennes de plusieurs mgawatts [2].

.

Lambda

Fig.1.7: Coefficient de puissance pour diffrents types doliennes [2]

Fig.1.6: Coefficient de puissance


11

6.2 Production dnergie mcanique :

En combinant les quations (1.9), (1.11) et (1.12), la puissance mcanique mP disponible

sur l'arbre d'un arognrateur s'exprime ainsi :

3

1

2 ****)(2

1VRCPCP

P

PP pmtpmt

mt

m

m (1.13)

Avec: 1

1

V

R

1 : vitesse de rotation avant multiplicateur et R: rayon de l'arognrateur.

Compte tenu du rapport du multiplicateur de vitesse G , la puissance mcanique mP

disponible sur l'arbre du gnrateur lectrique s'exprime par :

3

1

2

1

2 ..2

1VR

kV

RCP pmt

(1.14)

2 : vitesse de rotation aprs multiplicateur.

Cette relation permet d'tablir un ensemble de caractristiques donnant la puissance

disponible en fonction de la vitesse de rotation de gnrateur pour diffrentes vitesses du vent

(figure 1.8) [3].

Selon ces caractristiques, il apparat clairement que si lolienne et par consquent la

gnratrice fonctionne vitesse fixe (par exemple 1600 tr/min sur la figure (1.8) les maximum

thoriques des courbes de puissance ne sont pas exploits. Pour pouvoir optimiser le transfert de

puissance et ainsi obtenir le maximum thorique pour chaque vitesse de vent, la machine devra

pouvoir fonctionner entre 1100 et 1900 tr/min pour cet exemple.

Fig.1.8: Puissance thorique disponible pour un type d'olienne donn [3]

Pu

issa

nce

mc

aniq

ue

(Wat

ts)

Vitesse de rotation du gnrateur (tr/min)


12

7. Rgulation mcanique de la puissance dune olienne :

Lobjectif de cette rgulation est double, dune part de protger lolienne contre le vent

fort et dautre part de dlimiter la puissance. En effet, la turbine olienne est dimensionne pour

fournir une puissance nominale nP une vitesse de vent nominale nV , au del de cette vitesse, les

paramtres de la turbine doivent voluer afin de fournir la puissance nominale et de ne pas

produire au del dune vitesse maximale maxV qui pourrait endommager la turbine. On peut

dfinir quatre zones de fonctionnement, figure (1.9) [11]:

La zone I: le vent nest pas suffisant pour faire fonctionner la turbine

La zone II: la puissance fournie par larbre va dpendre de la vitesse du vent

La zone III: la vitesse de rotation est maintenue constante par rgulation de la vitesse et

La puissance P fournie reste gale nP

La zone IV: la vitesse du vent est trop importante, pour ne pas dtriorer le gnrateur

olien, les pales de la turbine sont mises en drapeaux ( o90 )

Ils existent plusieurs systmes de rgulation de vitesse pour la turbine, on va sintresser

pour notre part aux systmes les plus couramment utiliss savoir :

Le systme pitch ou pas de calage variable

Le systme stall ou dcrochage arodynamique

7.1 Le systme pitch :

La figure 1.10 nous montre lvolution de la caractristique dune olienne en fonction

de . Plus langle de calage sera important, moins la turbine captera lnergie cintique du vent.

Les pales sont face au vent pour des vents faibles afin den extraire le maximum de puissance

puis lorsque le vent nominal nV est atteint, elles sinclinent pour atteindre la position drapeau

la vitesse du vent maximale.

Fig.1.9 : Caractristique puissance/vitesse du vent dune olienne classique

Vmax

Vn

II

III IV I

Vmin

V

Pn

P


13

Le systme pitch a pour avantage de permettre un contrle actif de la puissance sous

une large plage de vitesse du vent. Langle de calage des pales peut tre dtermin afin

doptimiser la conversion dnergie quand le vent volue entre minV et nV , le contrle de langle

de calage permet galement de rguler la vitesse lorsque nVV et le dmarrage vitesse du vent

faible est facilit par le changement de langle de calage [12].

7.2 Le systme stall :

Le systme stall est beaucoup moins lourd et moins coteux que le systme dcrit

prcdemment. En effet, cest le profil des pales tabli lors de la construction qui fixe les

caractristiques arodynamiques. Les pales sont conues avec un profil, qui permet dobtenir une

dcroissance brusque de la portance partir dune vitesse donne pour laquelle la puissance doit

tre diminue.

Les oliennes munies du systme stall gnrent une puissance lectrique variable dont la

valeur maximale correspond la puissance nominale de la machine. En dessous de cette valeur,

la puissance fournie crot avec la vitesse du vent. Au-del, la puissance fournie dcrot avec la

vitesse du vent figure (1.11).

Angle de calage des pales Plan de rotation

Vent

Rapport de vitesse

Co

eff

icie

nt

de

pu

issa

nce

Cp

Fig.1.10 Caractristique dune olienne en fonction de pour diffrentes

valeurs de [12]

V (m/h)

Fig.1.11 : Puissance fournie dune olienne en fonction de sa vitesse

Pu

issa

nce

le

ctri

qu

e

(kW

)

nP

nV

Vitesse du vent (m/h)

P (w)


14

En comparaison avec le pitch, le stall a pour avantage labsence de systme de contrle

dangle de calage. La construction est donc plus simple et moins coteuse. Par contre la

puissance active nest pas contrlable [11].

7.3 Production optimale d'nergie :

Dans un systme de production d'nergie par olienne fonctionnant vitesse variable, on

cherchera systmatiquement le rgime optimal en exploitant les maximums du rseau de courbes

de la figure (1.11). Ce qui signifie que pour un rgime de fonctionnement donn (vitesse du vent

fixe), on souhaite que la puissance fournie soit maximale ce qui correspond une valeur de

donne appele opt . La vitesse de rotation optimale opt rsultante est alors donne par [11] :

La gnratrice fournit alors de l'nergie lectrique frquence variable et il est ncessaire

d'ajouter une interface d'lectronique de puissance entre celle-ci et le rseau (Figure 1.13).

8. Les diffrents types dMPPT oliens:

La puissance capture par la turbine olienne peut tre maximise en ajustant le

coefficient pC . Ce coefficient tant dpendant de la vitesse de la gnratrice. Lutilisation dune

olienne vitesse variable permet de maximiser cette puissance. Il est donc ncessaire de

concevoir des stratgies de commande permettant de maximiser la puissance lectrique gnre

(donc le couple) en ajustant la vitesse de rotation de la turbine sa valeur de rfrence quelle que

soit la vitesse du vent considre comme grandeur perturbatrice. Pour cela, on peut distinguer

deux approches (types) possibles [9] :

Fig.1.13 : bouclage de la gnratrice au rseau

Gnratrice courant

alternatif

Signal alternatif

Rseau

alternatif

Interface

lectronique

I II III

V

Vitesse du vent

maxV minV

min

max

opt

Fig1.12 : Loi de commande optimale d'une olienne vitesse variable


15

La premire, la moins classique, considre que la caractristique pC nest pas connue ;

La seconde faon dagir, plus rpandue, suppose que cette caractristique de voilure est

connue. Il suffit de suivre la courbe de puissance optimale comme caractristique de

charge pour que lolienne soit dans les conditions optimales.

8.1 Maximisation de la puissance sans la connaissance de la courbe caractristique de

la voilure:

Pour ltude de la commande permettant deffectuer une recherche du point maximal de la

puissance sans la connaissance de la courbe caractristique pC , une structure avec redresseur

MLI triphas peut tre utilise. Cette structure assure un contrle dynamique en vitesse ou en

couple de la gnratrice asynchrone ce qui permet facilement de dplacer le point de

fonctionnement sur toute la plage des vitesses de rotation et ainsi deffectuer par ce biais une

recherche de la puissance maximale souhaite. En labsence de toute connaissance des

caractristiques de voilure, des algorithmes de comportement sont tenir afin de converger vers

le point optimal. Ces algorithmes dpendent des variations de puissance P et de vitesse V Par

exemple :

Si on mesure une augmentation de puissance 0P suite un incrment positif de

vitesse, on doit continuer acclrer la voilure ( 0 refV ). On se situe alors sur la partie gauche

de la cloche P .

8.2 Maximisation de la puissance avec connaissance de la courbe caractristique de la

voilure:

Une autre faon de procder consiste en un pseudo recherche du point maximal de

puissance en connaissant la courbe caractristique de la voilure olienne piloter. Ces mthodes

permettent de se rapprocher rapidement de loptimum laide des mesures simples, internes au

convertisseur mcanolectrique, cest--dire sans obligation de capture de la vitesse du vent.

Cette faon de procder exige au constructeur de la voilure des essais de caractrisation

(extrieur, soufflerie) ou des simulations du profil de pales.

8.3 Maximisation de la puissance avec asservissement de la vitesse :

Si on suppose que la gnratrice est idale, donc quelle que soit la puissance gnre, le

couple lectromagntique emC dvelopp est tout instant gal sa valeur de rfrence refemC ,

(c.--d: refemem CC ). Les techniques dextraction du maximum de puissance consistent

dterminer la vitesse de la turbine t qui permet dobtenir le maximum de puissance gnre.

La vitesse de la gnratrice r gale t (pas de multiplicateur) est influence par


16

lapplication de trois couples : le couple olien gC , le couple lectromagntique emC et le couple

rsistant rC . En regroupant laction de ces trois couples on peut crire [9]:

remg CCCJdt

d

1 (1.15)

Avec J : linertie de la turbine plus linertie de la gnratrice.

Cette structure de commande consiste rgler le couple apparaissant sur larbre de la

turbine aerC de manire fixer sa vitesse une rfrence. Pour raliser ceci, lutilisation dun

asservissement de vitesse est indispensable. Alors le couple lectromagntique de rfrence

refemC permettant dobtenir une vitesse mcanique gale la vitesse de rfrence ref est bas

sur la relation suivante:

referefem sFC (1.16)

sF : Fonction de transfert du rgulateur de vitesse.

Cette vitesse de rfrence ref dpend de la vitesse de la turbine fixer t pour maximiser

la puissance extraite. La rfrence de la vitesse de la turbine correspond celle de la valeur

optimale du ratio de vitesse maxcp ( constant) permettant dobtenir la valeur maximale de pC .

Alors on peut crire [9] :

opt

ref

VR

. (1.17)

8.4 Maximisation de la puissance sans asservissement de la vitesse :

Cette seconde structure de commande repose sur lhypothse que la vitesse du vent varie

trs peu en rgime permanent. Dans ce cas, partir de lquation dynamique de la turbine, on

obtient lquation statique dcrivant le rgime permanent de la turbine :

01 remg CCCJdt

d (1.18)

9. Types des machines lectriques

La configuration lectrique dun arognrateur a une grande influence sur son

fonctionnement. Le fait qu'une olienne fonctionne vitesse fixe ou vitesse variable dpend

par exemple de cette configuration. Les avantages principaux des deux types de

fonctionnement sont les suivants [13]:

Fonctionnement vitesse fixe

Systme lectrique plus simple,

Plus grande fiabilit,

Pas de probabilit d'excitation des frquences de rsonance des lments de lolienne,


17

Pas besoin de systme lectronique de commande,

Moins cher.

Fonctionnement vitesse variable

Augmentation du rendement nergtique,

Rduction des oscillations du couple dans le train de puissance,

Rduction des efforts subis par le train de puissance,

Gnration dune puissance lectrique dune meilleure qualit.

Les deux types de machines lectriques les plus utiliss dans l'industrie olienne sont les

machines synchrones et les machines asynchrones sous leurs diverses variantes. On donne par

la suite les principales caractristiques de chaque type de ces machines.

9.1 Gnratrices asynchrones cage :

Cest dans les grandes puissances (au-del de 100 kW) que lon rencontre des systmes

relis au rseau et produisant au fil du vent. Les machines asynchrones cage ne ncessitent

quune installation assez sommaire. Elles sont souvent associes une batterie de condensateurs

de compensation de la puissance ractive, et un dmarreur automatique progressif gradateur

ou rsistances permettant de limiter le rgime transitoire dappel de courant au moment de la

connexion au rseau. Dans le cas des arognrateurs de dimensions importantes (puissance,

rayon des pales), la vitesse de rotation est peu leve, ce que ncessite dinsrer un multiplicateur

mcanique de vitesse comme le montre la figure (1.14) [14].

Rseau

MAS

A vitesse de

rotation fixe

MAS

A deux vitesse

de rotation

Fig.1.14 : Systme olien bas sur la machine asynchrone cage

Commutation

Banc du condensateur

Banc du condensateur


18

Une autre structure consiste utiliser un variateur de frquence, mais cette solution est

globalement coteuse (variateur de frquence dimensionn pour la puissance transitoire, et

multiplicateur de vitesse) et donc trs rarement exploite figure (1.15) [14].

9.2 Machines asynchrones double alimentation (MADA)

Avec les gnratrices asynchrones, cest actuellement lune des deux solutions

concurrentes en olien vitesse variable. Le stator de la gnratrice est directement coupl au

rseau, le plus souvent par un transformateur. A la place du rotor cage dcureuil, ces machines

asynchrones ont un rotor bobin dont le rglage lectronique assure la variation du glissement.

La chane rotor permet ainsi lensemble de fonctionner vitesse variable sur une plage de

vitesse qui dpend du type et du dimensionnement de la chane rotor.

La figure (1.16) montre la technologie (Optislip de Vestas) qui permet une variation

limite de la vitesse environ 10% autour de la vitesse de synchronisme par le changement de la

rsistance du rotor. Outre la plage de variation de vitesse limite, linconvnient de cette solution

est la dissipation de la puissance rotor dans les lments rsistifs [15].

Une autre solution utilise une interface dlectronique de puissance qui est constitue de

deux convertisseurs (onduleurs rversibles base de composants semi-conducteurs

commandables IGBT ou IGCT contrls par Modulation de Largeur dimpulsions MLI), la

structure de cette technologie et les moyens de contrle associs sont prsents sur la figure

(1.17) [15].

Fig.1.16 : Systme olien bas sur la machine asynchrone rotor bobin variation de la vitesse de rotation par rglage de la rsistance du rotor

=

MADA

MAS

Fig 1.15: Systme olien bas sur la machine asynchrone cage

frquence variable


19

9.3 Gnratrices synchrones :

Les machines synchrones sont connues pour offrir des couples trs importants

dimensions gomtriques convenables. Elles peuvent donc tre utilises en entranement direct

sur les turbines oliennes. Le circuit dexcitation de linducteur demande la prsence du rseau et

une fourniture de la puissance ractive. Les sites isols ne sont pas adapts ces gnratrices

quen prsence dune batterie de condensateurs ou dune source de tension indpendante.

Le dveloppement des matriaux magntiques a permis la construction de machines

synchrones aimants permanents des cots qui deviennent comptitifs. Les machines de ce

type sont grand nombre de ples et permettent de dvelopper des couples mcaniques

considrables.

Le couplage de ces machines avec llectronique de puissance devient de plus en plus

viable conomiquement, ce qui en fait un concurrent srieux des gnratrices asynchrones

double alimentation, figure (1.18) [2].

Fig.1.17: Systme olien bas sur la machine asynchrone double alimentation rgulation de la vitesse de rotation par action sur le glissement

MADA

Fig.1.18 Systme olien bas sur la machine synchrone aimants permanents

PMSM


20

Une autre solution (figure 1.19) est le redressement diodes plac directement derrire la

gnratrice. Loptimisation de la gestion nergtique nest alors possible que si lexcitation est

rglable [2].

10. Avantages et inconvnients de lnergie olienne :

La croissance de lnergie olienne est videmment lie aux avantages de lutilisation de ce type

dnergie. Cette source dnergie a galement des inconvnients quil faut tudier, afin que ceux-

ci ne deviennent pas un frein son dveloppement.

a. Avantages

Lnergie olienne est avant tout une nergie qui respecte lenvironnement,

Lexploitation dnergie olienne ne produit pas dmission de CO2,

Lnergie olienne est une nergie renouvelable,

Lnergie olienne nest pas non plus une nergie de risque comme lest lnergie

nuclaire et ne produit videmment pas de dchets radioactifs,

Les oliennes en fonctionnement peuvent facilement tre arrtes,

Les parcs oliens se dmontent trs facilement et ne laissent pas de trace [16],

peut tre rentable dans les rgions loignes et vente (sites isols),

peut tre complmentaire des filires traditionnelles [17],

La priode de haute productivit se situe en hiver (vent plus forts), ce qui correspond la

priode de lanne o la demande est plus forte.

b. Les inconvnients:

Mme s'ils ne sont pas nombreux, lolien a quelques inconvnients :

L'impact visuel. a reste nanmoins un thme subjectif [13],

Le bruit des pales,

L'impact sur les oiseaux (les sites oliens ne doivent pas tre implantes sur les parcours

migratoires des oiseaux),

PM

Fig.1.19 : Systme olien bas sur la machine synchrone

SM


21

La qualit de la puissance lectrique : la source d'nergie olienne tant stochastique, la

puissance lectrique produite par les arognrateurs n'est pas constante [13].

11. Modlisation de la partie mcanique de la chaine de conversion :

11.1 Modlisation de la vitesse du vent :

Le vent ne peut pas tre reprsent par des expressions exclusivement dterministes. La

modlisation du vent nest pas une chose aise car les variations spatiales vont du kilomtre au

centimtre et celles dans le temps de la seconde des mois [18].

Cependant, le vent peut tre reprsent par une grandeur alatoire dfinie par des

paramtres statistiques. De nombreux travaux sur la modlisation du vent ont t raliss.

L'un des principes retenu consiste gnrer lallure temporelle du vent partir d'un bruit

blanc sur lequel on applique une fonction de transfert dterminer. Les paramtres de cette

fonction de transfert dpendent des grandeurs caractristiques du site et de la nature du vent

[19].

11.1.1 Expression du vent en un point fixe :

La vitesse tV0 du vent en un point peut tre dcompose en une somme dune

composante moyenne tV (lentement variable) et dune composante variable reprsentant

les fluctuations tVt :

tVtVtV t0 (1.19)

La composante tV est donne par [14]:

ttttVtV moy 6645.3sin2.0293.1sin2665.0sin21047.0sin2.0 (1.20)

La composante reprsentant la turbulence tVt est caractrise par 1'chelle de longueur vL ,

et 1'cart type v de cette turbulence. L'chelle de longueur de la turbulence est associe la

taille moyenne des tourbillons. La dfinition de la composante turbulente se fait en 2 tapes

[19]:

1ere tape : reconstitution du spectre de la turbulence partir d'un bruit filtr. II est

possible de 1'approcher par la fonction de transfert sous la forme suivante :

1...1.1..

2

1

sTmsT

sTmKs

vv

vv (1.21)

Avec 25.02 m et 4.01 m


22

Le calcul des paramtres mathmatiques vK et vT , est assez complexe. Ils peuvent tre

donns par les relations suivantes [20] :

tVL

Ti

vi

v (1.22)

tVk ivi

v , (1.23)

s

i

vi

vT

TK 2 (1.24)

2eme tape : dfinition de l'cart type de la turbulence v , l'cart type dpend de la vitesse

moyenne tV et d'un coefficient K qui reprsente l'intensit de la turbulence.

tVKv . (1.25)

Ainsi, partir d'un bruit blanc gaussien en entre, il est possible de dterminer la

composante de la turbulence et donc de gnrer une srie temporelle de la vitesse tV0 du

vent en un point comme prsente sur la figure (1.20), le vent est dfini par 3 paramtres

- une vitesse lentement variable tV

- un coefficient de variance K (compris entre 0.1 en mer et 0.25 dans une zone

turbulente)

- une chelle de longueur de turbulence vL . (compris entre 100 en mer et 500 dans une

zone turbulente)

Pour notre cas, nous avons choisi un jeu de paramtres correspondants un site ctier

( 13.0K et 125vL ) [19].

11.1.2 Filtre spatial:

La vitesse du vent en un point de laire balaye par laroturbine doit permettre de

retrouver le couple olien proche de celui que produirait le champ de vitesse du vent rel

incident sur toute laire balaye par le rotor. Il a t dmontr exprimentalement que seules

les composantes basses frquences du vent incident se retrouvaient dans le couple total

produit par les pales. Par contre, laroturbine filtre les fluctuations hautes frquences. On

Reconstruction du

spectre de la

turbulence v

tVt

tV

tV0

+

+

Fig.1.20: Construction dune srie temporelle de la vitesse du vent


23

reconstitue cet effet en appliquant sur la vitesse instantane du vent un filtre dont la fonction

de transfert est donne ci-dessous :

1....2

.2

sa

bsab

sbsH f (1.25)

Le paramtre a est empirique et vaut 0.55. Le paramtre b est fonction entre autre du

rayon des pales de lolienne R . La figure 1.22 montre lvolution de la vitesse du vent avant

et aprs le filtre spatial [19].

Fig.1.21 : Profil du vent dur de 300s

20 25 30 35 40 45

15

16

17

18

19

20

21

temp (s)

vit

ess

e d

e v

en

t (m

/s)

Vit

ess

e d

u v

en

t (m

/s)

Zoom

0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25

temp (s)

vit

esse

de

ven

t (m

/s)

Vit

ess

e d

u v

en

t (m

/s)

Fig.1.22 : Dfinition de 3 niveaux du vent a) avant et b) aprs le filtre spatial

0 2 4 6 8 100

5

10

15

20

25

temps (s)

vit

esse

du v

ent

(m/s

)

0 2 4 6 8 100

5

10

15

20

25

temps (s)

vit

esse

du v

ent

(m/s

)

a b


24

11.2 Modle de la turbine :

La modlisation de la turbine olienne est base sur la loi de betz [21]. Lexpression de la

puissance totale du vent mtP en fonction de la vitesse du vent V , la surface bilie par les pales S,

la densit dair est donne par [22]:

3

2

1SVPmt (1.26)

La puissance mcanique de la turbine olienne est dtermine par [22] :

,pvm CPP (1.27)

O le coefficient de la puissance pC est en fonction de la vitesse spcifique qui est le rapport

de la vitesse linaire en bout de pales de la turbine ramene la vitesse de vent, soit [23] :

v

t

V

R (1.28)

Avec: t la vitesse angulaire de la turbine (rad/s). , R longueur des pales.

Lvolution du coefficient de puissance est une donne spcifique chaque olienne. A

partir de relevs raliss sur une olienne, lexpression du coefficient de puissance a t

approche, pour ce type de turbine, par lquation suivante [24]:

21

54.0116

22.0,

ie

ipC

(1.29)

Avec : 1

035.0

08.0

113

i

On suppose que la vitesse de la turbine nest pas rglable ainsi que langle de calage .

Nous allons donc prendre en compte cette approximation. Dans ce sens nous prsentons la

courbe de variation du coefficient de puissance pC et celle de la puissance mcanique en

fonction de (rapport de vitesse spcifique) et ces diffrentes valeurs de calage des pales.

La figure (1.24.a) reprsente la caractristique pC en fonction de la vitesse spcifique

avec des diffrentes valeurs de langle de calage . La valeur maximale de Cp (Cpmax=0.42) est

atteinte pour o1 et 8 . Cette valeur particulire de est dfinie comme la valeur

nominale opt . Afin doptimiser la conversion de puissance, il faut donc essayer de conserver

cette vitesse rduite, cest--dire modifier la vitesse de rotation lorsque la vitesse du vent varie.


25

Connaissant la vitesse de la turbine, le couple arodynamique est donc directement

dtermin par [19]:

3..2

1VS

CC

t

p

aer

(1.30)

11.2.1 Modlisation de larbre de la machine :

Lquation diffrentielle qui caractrise le comportement mcanique de lensemble turbine

et gnrateur est donne par :

rtmemgr

mt ffCCdt

dJJ

(1.31)

O: tJ et mJ sont les inerties de la turbine et de la machine respectivement, mf le coefficient de

frottement de la machine, tf le coefficient de frottement des pales et gC le couple statique

fournie par lolienne.

Dans notre application, nous ne considrons que le coefficient de frottement associ la

gnratrice (celui de la voilure ne sera pas pris en compte). Le modle qui caractrise le

comportement mcanique de la chane olienne est donn par [23]:

rmemr

tg fCdt

dJC

(1.34)

11.2.3 Modlisation du multiplicateur :

Le multiplicateur de gain G permet dadapter les grandeurs mcaniques (la vitesse et le

couple) de la turbine et la gnratrice qui sexprime:

G

rt

(1.35)

G

CC aerg (1.36)

(b)

Fig.1.23 : (a) Coefficient de la puissance et (b) puissance mcanique de la turbine

0 2 4 6 8 10 12 14-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

rapport spcifique de vitesse

co

eff

icie

nt

de

pu

issa

nc

e C

p

B=1

B=4

B=8

B=16

0 2 4 6 8 10 12 14-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

rapport spcifique de vitesse

la p

uis

sa

nc

e c

ap

tee

pa

r l

a t

ur

bin

e (

W)

B=1

B=4

B=8

B=16

(a)


26

En se basant sur les quations prcdentes, on peut donner Le schma synoptique du

modle dynamique de la turbine comme il est prsent dans la figure (1.30):

12. Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons donn une vue densemble des diffrentes turbines oliennes

utilises dans lindustrie moderne pour la production dnergie lectrique. Afin darriver une

meilleure comprhension du fonctionnement des turbines olienn

Simulation de La Commande Vectorielle Par Régulateurs à Mode Glissant d'Une Chaine Éolienne à...

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