Stabilité transitoires des fermes éoliennes en présence du ... · PDF...

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences Appliquées Département de Génie Electrique

Mémoire MASTER ACADEMIQUE

Domaine : Sciences et technologies Filière : Génie électrique

Spécialité : Electrotechnique Industrielle Présenté par :

Melle.BOUAFIA Asma Melle.NOURANI Fatima Thème:

Soutenu publiquement Le : 09/06/ 2015 Devant le jury :

Année universitaire 2014/2015

Mr BOUDJELLA Houari MA (A) Président UKM Ouargla

Mr Bouhadouza Boubekeur MA (B) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla

Mr Guehrar youcef MA (A) Examinateur UKM Ouargla

Stabilité transitoires des fermes éoliennes en présence du STATCOM

Merci Allah, (mon dieu) de m’avoir donné la capacité d’écrire et

de réfléchir, la force d’y croire la patience d’aller jusqu’au bout du

rêve et le bonheur de lever mes mains vers le ciel et de dire

« yaKayoum »

J’ai le grand plaisir de dédier ce modeste travail :

- A elle qui m’a donné la vie, le symbole de tendresse ; qui s’est sacrifiée pour mon bonheur et ma réussite, à ma mère.

- A mon père, pour ses encouragements son soutient, surtout pour son sacrifice afin que rien n’entrave le déroulement de

mes étude, merci père.

- A mes adorables sœurs. - A mon seul frère Mahdi - Nous prions le bon dieu tout puissant d’accepter les âmes des défunts khanfersalah et ben MekhlofOmaima dans son

vaste paradis, ces deux jeunes étudiant qui nous quittés à

jamais tout récemment.

- A ma famille sur toute ma grande mère - A mes cousin et cousine - A mes chers amis khaoula, Iman , faiza , Abdelrazak et Yassine et mes amis à l’université kasdimerbahouargla et

mes professeurs.

- Tous ceux que j’aime et je respecte.

Asma sima

*Je dédie ce modeste travail aux deux êtres qui me sont très chers dans cette vie, à savoir mon père et ma mère. Je leur dis merci papa du fond de mon cœur pour ton éducation, ton sacrifice, ton assistance et pour ce que tu m’as fait et qui m’a permis d’avoir cette réussite et ce bonheur. Je te dis merci et mille fois merci maman pour ta patience, ton courage et ton

sacrifice pour moi.

*Et pour autres choses encore merci dieu les protèges.*

A mes chers frères

A toute ma famille

A tous mes proches, A mes chers ami (e)s dans université

" Surtout a deux personne qui nous manquons cette année :

Oumaima BEN MAKHLOUF et SALAH KHANFAR "

Toute ma promotion de l’université KASDI-MERBAH OUARGLA

A tous ce qui m'ont porté leur soutien moral

Je dédié ce modeste travail

Avec mes sincères salutations à vous tous

Fatima

RemerciementsRemerciementsRemerciementsRemerciements Nous remercions le bon dieu de nous avoir donné du courage afin que ce mémoire vous soit présenté aujourd’hui. Nous exprimons notre reconnaissance à nous parents, qui nous ont tout donné et qui ont su de leurs précieux conseils nous inspirer le sens de la dignité du courage et du travail, qu’ils trouvent ici l’accomplissement de tous leurs vœux… Nous remercions vivement Monsieur M.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA Boubekeur, , , , pour avoir accepté d'encadrer ce travail et pour tous les conseils qu'il nous a donnés, ainsi que les membres de jury, merci d’avoir accepté d’examiner et juger notre travail. Noustenons également à remercie le personnel du département pour nous avoir aidé, conseillé et encouragé. Par crainte d'avoir oublié quelqu'un, que tous ceux et toutes celles dont nous sommes redevables se voient ici vivement remerciés.

Sommaire

INTRODUCTION GENERALE……………………....... Xi

Chapitre I ……………………………………………………... Généralité sur système éolienne…………………………………

I.1. Introduction ……………………………………………………………….... 1

I.2 Situation énergétique mondiale……………………………………………... 1

I.3 Éolien ……………………………………………………………………….. 3

I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne………….. 3 I.3.2 Éolienne en Algérie…………………………………………………………. 4

I.3.3 Définition de l'énergie éolienne ……………………………………………… 5 I.3.4 Différents types d’éoliennes…………………………………………………... 6 I.3.4.1 Eoliennes axe vertical……………………………………………...……… I.3.4.2 Éolienne à axe horizontal …………………………………………………

6 8

I.4 Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique……............... 10

I.4.1 Loi de Betz……………………………………………………………………. 10

I.5 Stratégies et caractéristiques des pales…………………………………….. 11

I.5.1 le profil………………………………………………………………………... 11 I.5.2 Bilan des forces sur une pale…………………………………………………. 12 I.5.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne……………………….. 12

I.5.4 Systèmes de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne ………………. 14 I.5.4.1Système à décrochage aérodynamique "stall"…………………………. 14 I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch " ……………………………... 14 I.6 Différents technologies d’éoliennes …………………………………..………... 15 I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe………………………………………………………. 15 I.6.2 Éoliennes à vitesse variable…………………………………………………… 16 I .7Avantages et inconvénients des éoliennes……….………………………… 17 I.8 Types de conversions électromécaniques…………………………………… 18 I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil………………………………………... 18 I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné)…………………… 20 I.8.3.Générateur synchrone…………………………………………………………. 21 I.9 Conclusion………………………………………………..……………….. 21

Chapitre II……………………………………………………… Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS……………..

II.1. Introduction………………………………………………………………... 22 II.2 Stabilité des systèmes électrique…………………………………………… 22 II.2.1 Stabilité de tension………………………………………………………….. 23 II.2.2 Stabilité de fréquence………………………………………………………... 23 II.2.3 Stabilité angulaire…………………………………………………………... 24

II.2.3.1 Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique)….. 24

II.2.3.2 Stabilité angulaire aux grandes perturbations (stabilité transitoire)… 24

II.3 Moyens d’amélioration de la stabilité……………………………………… 25 II.3.1 Moyens classique……………………………………………………………. 25

II.3.2 Moyens modernes (FACTS)………………………………………………... 27

II.4 Conclusion…………………………………………………………………. 36

Chapitre III…………………………………………………….. Modèle du système étudie…………..........………… III.1. Introduction……………………………………………………………… 37

III.2. Modélisation du système………………………………………………... 37

III.2.1 Modélisation des éléments du réseau électrique…………………………... 37 III.2.2. Modélisation du générateur éolien………………………………………… 39

III.2.2.1. Le vent…………………………………………..…………………….. 39

III.2.2.2. La turbine éolien…………….…………...…………………………... 39 III.2.2.3. Modèle du multiplicateur……………………………………….......... 40 III.2.2.4. L’arbre mécanique…………………………………….……………… 41 III.2.2.5. Machine asynchrone à cage………………………………..………… 42

III.2.2.5.1.Equations électriques……………………………………………..... 43 III.2.2.5.2.Equations des flux…………………………………………………. 44 III.2.2.5.3.Transformation de PARK appliquée………………………….….... 45

III.2.2.5.4. Couple électromagnétique………………………………………..... 48 III.2.2.5.5. Modèle complet de la chaîne de conversion éolienne…………… 48

III.2.2.5.6. Caractéristique de la turbine éolienne basée sur la machine asynchrone à cage…………………………………………………

48

III.2.3. Modéle du STATCOM……………………………………………… 49 III.2.3.1. Modèle mathématique simplifié…………………………………......... 49 III.2.3.2. Modèle mathématique en considérant le circuit DC………………….. 51

III.3. Conclusion……………………………………………………………… 53

Chapitre IV…………………………………………………………….. SIMULATION ET INTERPRETATION DES RESULTATS……. IV.1 Introduction………………………………………………………………... 54

IV.2Conditions de raccordement des éoliennes au SEE……………………….. 54

IV.3Stabilité d’une génératrice asynchrone couplée au réseau électrique……… 54 IV.4 Description du réseau étudié………………………………………………. 55 IV.4.1Résultats de Simulation……………………………………………………... 56 IV.4.1.1 Sans défaut et sans compensation…………………………………….. 56 IV.4.1.2 Avec défaut triphasé est en absence de STATCOM………………….. 57 IV.4.1.3 En présence de STATCOM avec un défaut triphasé………………….. 59 IV.4.1.4 En présence de SVC avec un défaut triphasé…………………………. 61 IV.4.1.5 Comparaison entre STATCOM et SVC………………………………. 62 IV.5 Effets du STATCOM et SVC sur le temps critique………………………. 64 IV.6 Conclusion………………………………………………………………… 65

CONCLUSIONS GENERALES…………………............. P.C.1

ANNEXE Annexe A. paramètre de l’éolienne……………………………………………………. P.A.2 Annexe A. paramètre de l’éolienne……………………………………………………. P.B.2

Liste des figures Figure I-1 :Répartition des sources primaires d’énergie dans le monde [2]……….…. 2

Figure I-2 : présente un moulin à vent…………………………………………....…… 3

Figure I-3 : Représente la carte des vents à 10m/s en Algérie établie par le centre de

Développement des énergies renouvelable CDER laboratoire de l’énergie éolienne [3 ; 9]………………………..………………………………………………………..

5

Figure I-4 : Principe de la conversion d’énergie……………………………………… 5

Figure I-5: Eoliennes à axes vertical………………………………………………….. 6

Figure I-6 : Schéma de principe du rotor de Savonius………………………………... 7

Figure I-7 : Rotor d'une éolienne de Darrieus………………………………………… 7

Figure I-8: d’une éolienne àAxe horizontal amont……………………………………. 8 Figure I-9: d’une éolienne àAxe horizontal aval……………………………………… 8

Figure I-10 : Constitution d'une nacelle……………………………………………….. 9

Figure I-11 : Tube de courant autour d'une éolienne…………………………………... 10

Figure I-12 : Coefficient de puissance…………………………………………………. 11

Figure I-13 : Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe [12]………………………. 12

Figure I-14 : Bilan des forces sur une pale [8 ; 3]………………………….………….. 12

Figure I-15 : Zones de fonctionnement de la turbine [8 ; 3 ; 10]………………………. 13

Figure I-16: Flux d’air sur un profil de pale "stall" [10 ; 8 ; 13]……………………….. 14

Figure I-17 : Variation de l’angle de calage d’une pale [3 ;8 ; 10 ;13]…………………. 15

Figure I-18 : Éolien à vitesse fixe [8]…………………………………………………. 15

Figure I-19 : Éolien à vitessevariable…………………………………………………. 16

Figure I-20 : Caractéristique de la puissance générée en fonction de Ω[2 ; 3 ; 14]… 17

Figure I-21 : Caractéristique couple /vitesse d’une machine asynchrone à 2 paires de pôles [13 ; 4]…………………………………………………………………………

18

Figure I-22:Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil…………………….... 19 Figure I-23 : Eolienne directement connectée au réseau……………………………..… 19 Figure I-24: Machine asynchrone avec liaison indirecte au réseau……………………. 20 Figure I-25: Machine à induction à rotor bobiné……………………………………… 20

Figure II-1 : Classification de la stabilité des réseaux de puissances [27]…………….. 23 Figure II-2: Variation d’angle de rotor………………………………………………… 25 Figure II-3 : Principe de la compensation série………………………………………... 26

Figure II-4 : Schéma de TCR et TSC………………………………………………….. 30

Figure II-5 :Schéma de base d’un SVC………………………………………………… 31 Figure II-6 : Caractéristique d’un SVC………………………………………………... 31 Figure II-7 : (a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent…………………… 32 Figure II-8 : (a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC…………….. 33 Figure II-9 :Caractéristique statique du SSSC…………………………………………. 33 Figure II-10 :(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par un susceptance variable………………………………………………………………………………….

34

Figure II-11 :(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC... 35 Figure II- 12 :(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS…………………….. 36 Figure III.1 : Schéma équivalent d’une ligne électrique [8]…………………..…….… 38

Figure III.2 : Schéma équivalent d’un transformateur en [8]…………………………. 38

Figure III.3 : Schéma équivalent d’une charge………………………………………….. 38

Figure III.4 : Schéma de la turbine éolienne [14]…………………………………….… 39 Figure III.5 : Structure générale de la machine asynchrone [8]………………………… 42 Figure III.6: Repérage angulaire des systèmes d'axes dans l'espace électrique……….... 46 Figure III.7: Modèle de la chaîne de conversion éolienne fonctionnant à vitesse fixe….. 48 Figure III.8: Caractéristiques mécaniques de la turbine éolienne basée sur la MAS à cage…………………………………………………………………………………….

49

Figure III.9: Passage de repère (, ) vers le repère (, )…..………..………………... 50 Figure IV.1 : Réseau test étudié………………………………..……………………….. 56 Figure IV.2: Résultats de simulation avec la compensation (PFC) et sans défaut ........... 57 Figure IV.3:Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à t=15s…………………………………………………………………………

58

Figure IV.4 : Système avec la présence de STATCOM…………………..…………….. 59 Figure IV.5 : Résultats de simulations avec compensation(STATCOM) en présence de défaut……………………………………………………………………………………

60

Figure IV.6 : Système avec la présence de SVC……………………………...…… 61

Figure IV.7 : Résultats de simulation avec PFC et SVC avec un défaut triphasé…….… 62 Figure IV.8 : Simulation de compensation de STATCOM et SVC…………………...… 64 Figure IV.9 : Temps critique pour plusieurs valeurs de STATCOM et SVC…………… 65

Liste des tableaux

Tableau II.1 : Principaux dispositifs FACTS………………………………………. 28 Tableau II.2 : La correction via les FACTS………………………………………... 29

Tableau IV.1: Paramètres de bases du système étudié……………………………... 55 Tableau IV.2 : représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.... 64

Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne……………………………………. P A.1 Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne……………………………….. P A.1 Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne………………………….. P A.1 Tableau A.4. Paramètres de la ligne………………………………………………... P A.1 Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique…………………... P A.1 Tableau B.1. Paramètres du STATCOM…………………………………………... P B.2 Tableau B.2. Paramètres de l’SVC………………………………………………… P B.2

Listes des Acronymes et Symboles

Acronymes SEE Système électro-énergétique CCT Le critique d’alimentation de défaut FACTS Flexible AC Transmission System STATCOM Static synchronous compensator SVC Static Var Compensators MAS Machine Asynchrone MADA Machine Asynchrone a Double Alimentation PFC Power Factor compensator UPFC Unified Power Flow Controller SPS Static PhaseShifter EPRI Electric Power Research Institute IGBT InsulatedGateBipolar Transistors IGCT InsulatedGateCommutated Thyristors TCSC Thyristor ControlledSeriesCapacitor TCR Thyristor Controlled Reactor TSR Thyristor Switched Reactor SSSC Static Synchronous Séries Compensator DVR Dynamic Voltage Restorer GTO Gate Turn Off thyristor (thyristor commande a l’ouverture) MPPT Maximum Power Point Tracking

Symboles β L’angle d’orientation des pales. (deg) Ωmec vitesse de rotation du rotor de la génératrice(rad/s) Cp le coefficient de puissance densité volumique de l’air. (Kg/m3) Rt Rayon de la turbine (m) λ Le ratio de la vitesse V la vitesse du vent (m/s)

Caer couple aérodynamique(N.m)

ᵠ flux total à travers l’enroulement (web)

coefficient de frottements visqueux Cvis couple des frottements visqueux (N.m) Cem couple électromagnétique produit par la génératrice (N.m) Cmec couple mécanique (N.m)

Liste des tableaux

Tableau II.1 : Principaux dispositifs FACTS………………………………………. 28 Tableau II.2 : La correction via les FACTS………………………………………... 29

Tableau IV.1: Paramètres de bases du système étudié……………………………... 55 Tableau IV.2 : représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.... 64

Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne……………………………………. P A.1 Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne……………………………….. P A.1 Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne………………………….. P A.1 Tableau A.4. Paramètres de la ligne………………………………………………... P A.1 Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique…………………... P A.1 Tableau B.1. Paramètres du STATCOM…………………………………………... P B.2 Tableau B.2. Paramètres de l’SVC………………………………………………… P B.2

Introduction Générale

Master 2015 Xi


L’utilisation des énergies renouvelables n’est pas nouvelle. Celles-ci sont exploitées par

l’homme depuis la nuit des temps. Autrefois, moulins à eau, à vent, bois de feu, traction animale,

bateau à voile ont largement contribué au développement de l’humanité. Elles

constituaient une activité économique à part entière, notamment en milieu rural où elles

étaient aussi importantes et aussi diversifiées que la production alimentaire.

La consommation d’énergie mondiale et dans notre pays ne cesse d’augmenter. La grande partie

de l’énergie consommée provient des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon,

…etc.) dont l’utilisation massive peut conduire à l’épuisement de ces réserves et menace

réellement l’environnement.Cettemenace c’est manifesté principalement à travers la pollution et

le réchauffement global de la terre par effet de serre.L’utilisation de source d’énergie

renouvelable induit le concept de stockage d’électricité en raison de la disponibilité intermittente

de telles ressources .l’utilisation du stockage d’électricité est très diversifiée : les applications

stationnaires connectée ou non au réseau .en particulier, les sites géographiquement isolés et non

raccordés au réseau intégrant une source renouvelable [01].

parmi celles-ci l‘énergie éolienne qui apparait clairement en bonne place, non pas en

remplacement des sources conventionnelles, mais comme énergie complémentaire aux autres

énergie. Sa matière première «le vent» est gratuit. Cependant, sa connexion au réseau électrique

est un peut plus compliquée parce qu‘elle ne participe pas d‘une part au réglage de la

tension et de la fréquence ; et d‘autre part, son énergie est fluctuante. Ceci peut être considéré

comme une perturbation sur la puissance injectée dans le réseau et peut mettre en danger la

stabilité du réseau. En plus, les éoliennes modifient la structure du réseau, cette modification

change les comportements dynamiques des machines suite à une perturbation comme un court-

circuit.

Mais le problème majeur associé aux centrales éoliennes est qu’elles ne participent, en

général, pas aux services système (e.g. réglage de la tension, de la fréquence, possibilité de

fonctionner en îlotage). Elles posent notamment un certain nombre de problèmes au niveau de

leur intégration dans les réseaux, à savoir.

Et nouvellement et maintenir pour stabilité de réseau, et d'accélérer la vitesse de réponse,

récemment développés et connus sous l'appellation FACTS (Flexible Alternative Current

Transmission System) pour la compensation d’énergie réactive et le contrôle des réseaux. Le


Master 2015 Xii

Développement récent des dispositifs FACTS ouvre de nouvelles perspectives pour une exploitation

plus efficace des réseaux par action continue et rapide .Ainsi, les transits de puissance seront mieux

contrôlés et les tensions mieux tenues, ce qui permettra d'augmenter les marges de stabilité ou de

tendre vers les limites thermiques des lignes [2].

Le but de ce travail est l‘étude la stabilité d‘une ferme éolienne connectée à un réseau électrique

en présence d‘un système FACTS. Cette simulation oblige l‘utilisation d‘un certain nombre

d‘étapes. Ces étapes sont divisées en quatre chapitres organisés de la manière suivante :

Le premier chapitre fais l’objet de généralités sur de système l’éolien qui donne un aperçu sur

les différents types d’éoliennes (à l’axe vertical, horizontal), leurs caractéristiques

technologiques, leurs systèmes de régulation et de protection, ainsi que les différents types

de génératrices utilisées dans l’éolien ont été présentés.

Le second chapitre est présente généralité sur stabilité de réseau électrique auquel est

connecté un parc éolien en présentant les différents types de la stabilité de système électrique

avec les moyens d’amélioration via les systèmes FACTS (Flexible AC Transmission

Systems)comme le SVC, STATCOM, SSSC, TCSC et UPFC…etc. et on se limitera à l’étude

de l’impact de STATCOM dans les chapitres qui suivent.

Le troisième chapitre porte sur la modélisation de la chaine de conversion dans le système

éolienne (turbine + générateur). Puis le modèle du STATCOM.

Le quatrième chapitre, présente l’objectif principal de STATCOM qui va améliorer la stabilité

transitoire des fermes éoliennes.Des défauts ont été considérés pour étudier l’impact des

éoliennes sur la stabilité transitoire des systèmes électriques à partir de l’analyse des résultats

obtenus.

Pour une bonne compréhension du contenu du présent mémoire, quelques annexes sont

insérées à la fin. Ces annexes regroupent les paramètres d’une chaîne de conversion éolienne

basée sur la machine asynchrone à cage d'écureuil.Ainsi que les données du réseau électrique

test.

Chapitre I Généralité sur système éolienne

Page 1

I.1 Introduction :

Le vent est une source d’énergie renouvelable, économique, exploitable avec un bon niveau

de sécurité et respect de l’environnement.

L’énergie éolienne est une source d’énergie propre, durable comparée à celle due aux

combustibles fossiles utilisée par l’Homme depuis très longtemps déjà Pour cela, la plupart

des pays du monde ont pensés d’augmenter le taux énergétique via les sources renouvelables,

notamment, l’Europe (l’Allemagne, Danemark ….), l’Amérique (USA, Canada…). En

Algérie [8].

Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axe vertical ou à

axe horizontal) et les structures des capteurs sont de plus en plus performantes. Outre les

caractéristiques mécaniques de l'éolienne l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique

en énergie électrique est très importante. Là encore, de nombreux dispositifs existent et, pour

la plupart, ils utilisent des machines synchrones et asynchrones. Les stratégies de commande

de ces machines et leurs éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettent de

capter un maximum d'énergie sur une plage de variation de vitesse de vent la plus large

possible, ceci dans le but d'améliorer la rentabilité des installations éoliennes [3].

L’objectif de ce chapitre est de présenter le système éolien.On montre ses éléments et son

principe de fonctionnement, on présente les principaux types du système et leurs applications,

leurs systèmes de régulation mécanique utilisés pour avoir un meilleur rendement,Ainsiles

différents types des machines utilisées dans l‘éolienne.

I.2 Situation énergétique mondiale :

La consommation énergétique ne peut que croitre, pour deux raisons: l’uneest

l‘accroissement accéléré de la population, qui devrait atteindre huit milliards d‘individus en

2050, l‘autre réside dans le fait que les pays en développement ne peuvent élever leur niveau

de vie qu‘en augmentant notablement leur consommation énergétique. Cela laisse supposer

une demande fortement croissante en énergie électrique dans les prochaines années.

Les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolienne, géothermique..) ne représentent

actuellement qu‘environ 20 % de la production mondiale d‘électricité ; en excluant

l‘hydroélectricité, ce taux tombe à 2 %. Dans un contexte de crise énergétique mondiale sous-

tendue par l‘impératif d‘un développement durable (problèmes environnementaux,

épuisement des ressources fossiles, …), les défis du futur énergétique nécessiteraient le

Chapitre I

développement des énergies renouvelables comme sources de substitution, propres et

inépuisables [3].

Les formes de production d’énergie non renouvelables engendrent une forte pollution

environnementale par :

• rejet des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.

• les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des

déchets radioactifs.

Figure I-1 :Répartition des sources primaires d’énergie dans

Il existe plusieurs ressources en énergies renouvelables :

• l'énergie hydraulique.

• l'énergie éolienne.

• l'énergie solaire thermique et photovoltaïque.

• l’énergie produite par les courants marins.

• la géothermie et la biomasse.

Ces ressources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres.

énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [

Généralité sur système éolienne



des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.

les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des

Répartition des sources primaires d’énergie dans le monde [

Il existe plusieurs ressources en énergies renouvelables :

l'énergie solaire thermique et photovoltaïque.

l’énergie produite par les courants marins.

la géothermie et la biomasse.

sources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres.

énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [


Page 2



des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.

les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des

le monde [2].

sources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres. Les installations à

énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [2].


Page 3

I.3 Éolien :

Parmi toutes les énergies renouvelables l’éolienne est l’une des plus prometteuses,

l’évolution technologique (augmentation de la taille et de la puissance des

installations, optimisation des matériaux) alliée à la baisse continue des coûts de

production font actuellement de l’éolien l’une des énergies renouvelables les plus

compétitives.

Pour toutes ces raisons l’énergie issue du vent fait déjà partie intégrante du

Paysage et la tendance s’annonce irréversible [9].

I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne :

Le vent, comme étant une source d’énergie traditionnelle non polluante, a été exploité depuis

plusieurs siècles pour la propulsion des navires (avant 3000 ans environ), l’entraînement des moulins

(environs 200000 moulins à vent en Europe vers le milieu du 19ème siècle), le pompage d’eau et le

forgeage des métaux dans l’industrie. Ces dernières utilisations sont toutes basées sur la conversion de

l’énergie du vent captée par des hélices en énergie mécanique exploitable.

Figure I-2 : présente un moulin à vent.

Ce n’est qu’après l’évolution de l’électricité comme forme moderne de l’énergie et les

recherches successives sur les génératrices électriques, que le danois Poul La Cour a construit

pour la première fois en 1891 une turbine à vent générant de l’électricité.

Après la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs danois ont amélioré cette

technologie durant la 1ère et la 2ème guerre mondiale avec une grande échelle [4].

C’est principalement la crise pétrolière de 1973 qui relança les études et les expériences

avec une échelle plus élevée [6,9], ce qui oblige plusieurs pays de commencer

l’investissement pour améliorer et moderniser la technologie des aérogénérateurs. Parmi ces


Page 4

investissements, on cite le premier marché important de la Californie entre 1980 et 1986,

notamment au début avec des turbines de moyenne puissance (55 kW), puis 144 machines

(avec un total de 7 MW) en 1981 et 4687 machines d’une puissance totale de (386 MW) en

1985.

Après ces années, le marché européen a réellement décollé, ce qui permet un

développement important de cette industrie de l’éolienne et surtout dans des pays comme

l’Allemagne, l’Espagne et le Danemark. Ces pays ont une contribution importante au marché

mondial qui atteint 10000 MW en 1998 et environ 47000 MW en 2004 avec une croissance

moyenne annuelle de 7500 MW [7].

I.3.2 Éolienne en Algérie :

En Algérie, au cours de dernières années, le ministère des mines et d’énergies à lance de

grands projets pour l’investissement aux énergies renouvelables comme les énergies éoliennes

et photovoltaïque surtout dans les sites isolent ou on peut les Produire. Les chercheurs veulent

toujours trouver des solutions adéquates de la cote énergétique en satisfaisant la demande

avec un cout minimum devant d’autres sources non renouvelables. Cependant, les éoliennes

ont quelques contraintes lors de la connexion aux réseaux électriques [8].

L’Algérie présente un potentiel éolien considérable qui peut être exploité pour la production

d’énergie électrique, surtout dans le sud où les vitesses de vents sont élevées et peuvent

dépasser 4m/s (6m/s dans la région de Tindouf), et jusqu’à 7m/s dans la région d’Adrar.

Les ressources énergétiques de l’Algérie ont déjà été estimées par le CDER depuis les années 90 à

travers la production des atlas de la vitesse du vent et du potentiel énergétique éolien disponible en

Algérie.

Ceci a permis l’identification de huit zones ventées susceptibles de recevoir des installations

éoliennes :

• deux zones sur le littoral

• trois zones sur les hauts plateaux

• et quatre zones en sites sahariens [3].

Chapitre I

Figure I-3 :Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans

I.3.3 Définition de l'énergie éolienne

Un système éolien ou avec un autre terme un aérogénérateur ou encore une éolienne peut être

défini comme étant : un système composé d‘éléments aptes à transformer une partie de

l‘énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie

électrique. La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les grands, sont à axe

horizontal. La part de marché représentée par les systèmes à axe vertical est minuscule. Les

aérogénérateurs de grande taille sont parfois construits isolément ou rassemblés en groupes

(parcs d‘éoliennes) comportant dix éléments ou plus, parfois même des centaines.

Figure


Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans

[3 ;9].

Définition de l'énergie éolienne :



cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie





Figure I-4 : Principe de la conversion d’énergie.


Page 5

Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans l’Algèrie.



cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie





Principe de la conversion d’énergie.


Page 6

I.3.4Différents types d’éoliennes :

Il existe deux types d'éoliennes modernes : celle a axe horizontal dont le rotor ressemble à

une hélice d’avion ; et l'éolienne à axe vertical dont la forme s'apparente à celle d'un batteur à

œuf à l’envers.

I.3.4.1 Eoliennes (axe vertical) :

Figure I-5: Eoliennes à axes vertical.

Les caractéristiques de ce type:

• Les pylônes des éoliennes à axe vertical sont courts, entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du

rotor. Cela permet de placer tout le dispositif de conversion de l'énergie au pied de

L’éolienne.

• facilitant ainsi les opérations de maintenance.

• doivent être entraînées au démarrage et le mât subit de fortes contraintes mécaniques.

• Elles sont d’une conception simple qui ne nécessite pas de système d’orientation par

rapport au sens du vent, mais elles ont une vitesse de rotation lente.

• Elles démarrent à des vitesses de vent faibles voisines de 2 à 3 m/s

Les deux types de structures d'éoliennes à axe vertical [4]:

Le rotor de Savonius :

Chapitre I

Figure

Le fonctionnement est basé sur le principe de la traînée différentielle. Les efforts exercés par

le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensités différentes. Il en résulte un

couple entraînant la rotation de l'ensemble.

Le rotor de Darrieus:

Il Est basé sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil placé dans un

écoulement d'air selon différents angles, est soumis à des forces d'intensités et de directions

variables. La résultante de

dispositif.

Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus:

• le rotor cylindrique

• le rotor tronconique

• Le rotor parabolique [4].

Figure


FigureI-6 :Schéma de principe du rotor de Savonius



on de l'ensemble.



variables. La résultante de ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du

Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus:

Figure I-7 :Rotor d'une éolienne de Darrieus.


Page 7

de principe du rotor de Savonius .





ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du

Chapitre I

I.3.4.2 Éolienne à axe horizontal

I.3.4.2.1 Architecture d’une éolienne à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.

Elles sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamique ment

d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour

générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production

d'électricité varie classiquement entre 1 e

un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitess

éolien. Ce type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un

coût moins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du

récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l'efficacité. Notons cependant que

certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des

Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas

éoliennes à axe horizontal.

Il existe deux catégories d'éolienne à axe

Amont : le vent souffle sur le devant des pales en direction

rigides, et le rotor est orienté selon la direction du vent par un dispositif.

Aval : le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,

auto-orientable.

Figure I-8: d’une éolienne à

Axe horizontal amont.


à axe horizontal :

d’une éolienne à axe horizontal :

à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.

Elles sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamique ment



d'électricité varie classiquement entre 1 et 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue

un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur

type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un

oins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du


certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des

Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas

Il existe deux catégories d'éolienne à axe horizontal :

le vent souffle sur le devant des pales en direction de la nacelle. Les pales sont


le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,

d’une éolienne à Figure I-9 : d’une éolienne à

Axe horizontal aval.


Page 8

à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.

à la manière des ailes



t 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue

e de rotation du capteur

type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un

oins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du


certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des études multicritères.

Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas des

de la nacelle. Les pales sont


le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,

d’une éolienne à

Axe horizontal aval.

Chapitre I

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

différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de

quatre éléments principaux

Le mât (Tour):

C’est un élément porteur, généralement un tube en acier

l’augmentation des puissances no

pour éviter les perturbations

longues [3]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les

câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de

connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.

Les pales :

Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie

classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (

représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle

et le bruit [3].

La nacelle :

Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien

générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque

le système en cas de surcharge, le

asynchrone, les systèmes

aérodynamique) et de la nacelle

l‘aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).


existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des


quatre éléments principaux :

C’est un élément porteur, généralement un tube en acier ou un treillis métallique.

l’augmentation des puissances nominales des éoliennes, le mat devient de plus en plus

éviter les perturbations près du sol mais aussi permettre l’util

]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les

rt de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de

connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.


1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le


Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien

générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque

surcharge, le générateur qui est généralement une m

asynchrone, les systèmes hydrauliques ou électriques d‘orientation des

aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par

l‘aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).

Figure I-10 : Constitution d'une nacelle.


Page 9

existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des


ou un treillis métallique. Avec

minales des éoliennes, le mat devient de plus en plus haut

du sol mais aussi permettre l’utilisation de pales plus

]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les

rt de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de


concept danois) étant de loin le plus répandu car il


Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au

générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque qui permet d‘arrêter

qui est généralement une machin synchrone ou

hydrauliques ou électriques d‘orientation des pales (frein

pour garder la surface balayée par

Chapitre I

I.3.4.2 .2 Taille des aérogénérateurs

Avant le développement récent et le besoin de fournir des puissances croissantes auréseau,

les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissan

donc plus grandes, Pour utiliser le maximum de la force du vent, on cherche à ce que l'hélice

balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont

pour ne pas subir les effets de sol qui freinent le vent

I.4 Energie cinétique du vent

I.4.1 Loi de Betz :

Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(

on a représenté la vitesse du vent

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

vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne

travers le rotor V2 soit

des pales en une seconde est:

La puissance Pm alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la

diminution de la vitesse du vent (seconde loi

Soit en remplaçant m par son expression dans (I.1):

Figure


des aérogénérateurs :


les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissan


balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont

pour ne pas subir les effets de sol qui freinent le vent [4].

Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique

Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(

on a représenté la vitesse du vent en amont de l'aérogénérateur et la vitesse


vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne et la vitesse du vent après passage à

, la masse d'air en mouvement de densité

des pales en une seconde est:

2

alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la

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

p 1 22

Soit en remplaçant m par son expression dans (I.1):

1 21 24

Figure I-11 :Tube de courant autour d'une éolienne.


Page 10


les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissantes


balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont très haut perchées

onversion en énergie mécanique :

Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(I .11) sur lequel

en amont de l'aérogénérateur et la vitesse en aval.


et la vitesse du vent après passage à

traversant la surface S

alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la

Tube de courant autour d'une éolienne.

(I.1)

(I.2)

(I.3)

Chapitre I

Un vent théoriquement non perturbé tr

vitesse, soit à la vitesse V1

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

estalors :

Si on représente la caractéristique corresp

s'aperçoit que le ratio Pm/16/27 soit 0,59. C'est cette lim

maximale extractible pour une vitesse de vent donnée. Cette limite n'est en réalité jamais

atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en

fonction de la vitesse relative

pales de l'éolienne et la vitesse du vent

Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il

définir les différentes catégories de puissance dans une turbine éolienne.

I.5 Stratégies et caractéristiques des pales

I.5.1 le profil :

Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en coupe.

Il existe plusieurs classes de profils

fonction de la forme du squelette, du pourcentage d'épaisseur par rapport à la longueur de la


Un vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface S

1, la puissance correspondante serait alors

ρsv1³2


"#$%"&#$%

Si on représente la caractéristique correspondante à l'équation ci-dessus appelé aussi coefficient de puissance Cp présente un maxima de

cette limite théorique appelée limite de Betz



n de la vitesse relative λreprésentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des

pales de l'éolienne et la vitesse du vent [10].

Figure I-12 :Coefficient de puissance.

Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il


et caractéristiques des pales :


plusieurs classes de profils et le plus utiliséprofil NACA [23].



Page 11

averserait cette même surface S sans diminution de

correspondante serait alors :


dessus Figure(I-12), on

présente un maxima de

Betzqui fixe la puissance



représentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des

Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il convient de



[23]. Elles sont définies en


(I.4)

(I.5)

Chapitre I

corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée ex

surface inférieure est appelée intrados

FigureI-13

I.5.2 Bilan des forces sur une pale

La vitesse du vent arrivant face à cette pale, est représentée par

'()))))))*représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de

ces deux vecteurs est appelée

sedécompose en une poussée axiale

mat et une poussée en direction de

Chaque turbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne sa valeur

nominale pour une vitesse de

trop élevée ou si la génératrice nécessite une

extraite par l'éolienne doit être limi

de calage et l'angle d'incidence.

Figure

I.5.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne :

L'objectif de cette régulation est double, d'une part d

d'autre part de délimiter la puissance

développer une puissance nominale


corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée ex

surface inférieure est appelée intrados [12].

13 : Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe

I.5.2 Bilan des forces sur une pale :

vent arrivant face à cette pale, est représentée par le

représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de

ces deux vecteurs est appelée'+)))))*. L'action du vent sur la pale produit une force

sedécompose en une poussée axiale,-.)))))*directement compensée par la résistance mécanique du

une poussée en direction de la rotation,'()))))))*qui produit effectivement le


pour une vitesse de vent nominale donnée. Lorsque la vitesse

si la génératrice nécessite une vitesse de rotation fixe,

extraite par l'éolienne doit être limitée à sa valeur nominale. / et i sont respectivement l'angle

de calage et l'angle d'incidence. [10 ;4 ;8].

Figure I-14 :Bilan des forces sur une pale [8 ;3].

mécanique de la puissance d’une éolienne :

L'objectif de cette régulation est double, d'une part de protéger l'éolienne contre le

d'autre part de délimiter la puissance [8]. Une turbine éolienne est dimensionnée pour

développer une puissance nominale01à partir d’une vitesse de vent nominale


Page 12

corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée extrados, tandis que la

Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe [12].

le vecteur*. Le vecteur

représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de

. L'action du vent sur la pale produit une force,'2+qui

la résistance mécanique du

qui produit effectivement le déplacement.


vent nominale donnée. Lorsque la vitesse du vent devient

vitesse de rotation fixe, la puissance

sont respectivement l'angle

.

mécanique de la puissance d’une éolienne :

e protéger l'éolienne contre le vent fort et

Une turbine éolienne est dimensionnée pour

nominale3, au-delà de

Chapitre I

cette vitesse, les paramètres d

nominale et de ne pas produireau

endommager la turbine. On peut définir quatre z

distinguées :

FigureI-15

- La phase (zones I) de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque

la vitesse mécanique atteint environ 70%

puissance électrique reste assez faible.

- La phase d‘extraction de la puissance

Power Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut at

valeur proche de la vitesse nominale. La puissance

de calage des pales / reste

puissance maximal. La puissance maximale

vitesse mécanique et pour des vitesses de vent

- La phase à vitesse mécanique quasi constante

afin d‘obtenir une puissan

puissance électrique augmente très rapidement

- La phase à puissance constante

l‘angle de calage des pales devient important afin de conserver la puissance électrique

constante et nominale.

Par sécurité, si la vitesse du

l‘angle de calage des pales se fixe à 90°.

fonctionnement de l‘éolienne jusqu’


paramètres de la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance

nominale et de ne pas produireau-delà d'une vitesse maximale max V qui pourrait

urbine. On peut définir quatre zones de fonctionnement,

15 :Zones de fonctionnement de la turbine [8 ;3

de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque

atteint environ 70% de la vitesse de synchronisme

assez faible.

de la puissance maximale (zones II) ou phase MPPT (Maximum

Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut at

valeur proche de la vitesse nominale. La puissance électrique augmente rapidement. L‘angle

reste constant à sa valeur minimale afin d‘obtenir

puissance maximal. La puissance maximale est ainsi obtenue pour chaque

pour des vitesses de vent moyennes (7-13 m/s

à vitesse mécanique quasi constante (zones III): l‘angle/ de calage des pales varie

puissance électrique maximale pour différentes valeurs

électrique augmente très rapidement jusqu‘à sa valeur nominale.

La phase à puissance constante (zones IV) : lorsque la vitesse du vent augmente encore,


du vent devient trop importante et risque d‘endommager

ales se fixe à 90°. C‘est la mise en drapeau qui met

fonctionnement de l‘éolienne jusqu’à ce que la vitesse du vent devienne moins importante.


Page 13

e la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance

delà d'une vitesse maximale max V qui pourrait

de fonctionnement, peuvent être

;3 ; 10].

de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque

synchronisme de la génératrice. La

ou phase MPPT (Maximum

Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut atteindre une

e rapidement. L‘angle

stant à sa valeur minimale afin d‘obtenir un coefficient de

t ainsi obtenue pour chaque valeur de la

13 m/s environ).

de calage des pales varie

différentes valeurs de vent. La

jusqu‘à sa valeur nominale.

: lorsque la vitesse du vent augmente encore,


portante et risque d‘endommager l‘éolienne,

C‘est la mise en drapeau qui met fin au

à ce que la vitesse du vent devienne moins importante.

Chapitre I

I.5.4 Systèmes de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne

I.5.4.1Système à décrochage aérodynamique

Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une

fixe. Le système de limitation de vitesse le plus simple

forme de la pale, dit « stall ».

si la vitesse du vent dépasse sa

pale n’est plus optimale.

conséquent une baisse du coefficient de puissance qui empêc

vitesse de rotation, comme montrée à la figure

mais il manque de précision car

des pales.Il peut être amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle

(système " stall actif" ) pouvant

du vent. La pale est inclinée de façon à diminuer l’angle de calage

" stall" de la pale, lorsque la vitesse du vent est forte [8

Figure I-16

I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch "

L’étude mécanique des pales de la turbine éolienne

dépendent des caractéristiques climatiques, de la puissance à

d’orientation des pales est considérée comme un facteur efficace pour le système qui ne subit

pas des contraintes soit électrique ou mécanique

Lorsque le vent souffle, les pales d

une vitesse relativement constante. En effet, l’angle d’orientations des pales augmente quand

la vitesse du vent est considérablement importante jusqu’à la mise en drapeau des pales. Ceci

pouvant entrainer la suspension de la production d’énergie


de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne

à décrochage aérodynamique "stall" :

Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une

Le système de limitation de vitesse le plus simple est un moyen naturel intrinsèque à la

rme de la pale, dit « stall ». Lorsque l’angle d’incidence 4 devient important, notamment

si la vitesse du vent dépasse sa valeur nominale 5, l’aspiration créée par le

optimale. Ceci entraine des turbulences à la surface de

une baisse du coefficient de puissance qui empêche alors une augmentation de la

comme montrée à la figure (I-16)Le système aérodynamique est simple

il manque de précision car il dépend de la masse volumique de l’air et de la rugosité

amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle

) pouvant ainsi maximiser l’énergie captée pour les faibles vitesses

du vent. La pale est inclinée de façon à diminuer l’angle de calage / et renforcer ainsi l’effet

la vitesse du vent est forte [8 ;13].

16: Flux d’air sur un profil de pale"stall" [10 ;

I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch " :

ales de la turbine éolienne est entièrement importante. En effet, elles

dépendent des caractéristiques climatiques, de la puissance à fournir …etc. La technique


pas des contraintes soit électrique ou mécanique comme montré à lafigure

Lorsque le vent souffle, les pales décalent à un angle / donné, pour que la génératrice reçoive



ension de la production d’énergie.[8 ;13].


Page 14

de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne :

Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une vitesse de rotation

est un moyen naturel intrinsèque à la

devient important, notamment

, l’aspiration créée par le profil de la

la surface de la pale, et par

he alors une augmentation de la

système aérodynamique est simple

masse volumique de l’air et de la rugosité

amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle-même

captée pour les faibles vitesses

et renforcer ainsi l’effet

;8 ;13].

entièrement importante. En effet, elles

fournir …etc. La technique


igure (I-17).

donné, pour que la génératrice reçoive



Chapitre I

Figure I-17 : Variation de l’angle de calage d’une pale

I.6 Différents technologies

Il existe essentiellement deux

vitesse variable.

I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe

Les éoliennes de grande puissance mise en service reposent sur l’utilisation des machines

asynchrones à cage directement

un multiplicateur et sa vitesse est maintenue approximativement cons

mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en

synchronisme c'est-à-dire à une

(souventΩs= 1500 t/ min

génératrice avec uneconvention moteur

hydrauliques ou électriques, permet l’augmen

alorsêtre limitée à la puissance nominale de la

technique permet la mise en drapeau des pales

Les principaux avantages des éoliennes à vitesse

- Système électrique plus simple

- Plus grande fiabilité [3] ;

- Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne

- Pas besoin de système électrique de commande

- Moins cher [3].


Variation de l’angle de calage d’une pale [3 ;8

I.6 Différents technologies d’éoliennes :

Il existe essentiellement deux technologies d’éoliennes, celles à vitesse constante et celles à

I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe :


asynchrones à cage directement couplée au réseau électrique. Cette machine

sa vitesse est maintenue approximativement cons

mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en

dire à une vitesseΩs (1 - g) avec Ωs est la vitesse de

= 1500 t/ min) et g est le glissement, avec g˂ 0 pour un fonctionnement en

convention moteur(׀g1% ≥׀)). La rotation des pales par des actionneur

hydrauliques ou électriques, permet l’augmentation de l’angle de calage β

alorsêtre limitée à la puissance nominale de la génératrice. Lors de fort vent, cette

technique permet la mise en drapeau des pales/ 90° [8].

FigureI-18 :Éolien à vitesse fixe [8].

Les principaux avantages des éoliennes à vitesse fixe sont les suivants :

Système électrique plus simple ;

Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne

Pas besoin de système électrique de commande [3] ;


Page 15

;8 ; 10 ;13].

vitesse constante et celles à


machine est entrainée par

sa vitesse est maintenue approximativement constante par un système

mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en hyper-

est la vitesse de synchronisme

un fonctionnement en

. La rotation des pales par des actionneurs,

tation de l’angle de calage β. La puissance peut

génératrice. Lors de fort vent, cette

:

Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne ;

Chapitre I

I.6.2 Éoliennes à vitesse variable

Les deux structures existantes des éoliennes à vitesse variable s

25). La configuration de la figure

pilotée au stator de manière à

La configuration de lafigure

alimentation et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermé

convertisseurs de puissance,

Les principaux avantages des éoliennes à vitesse variable

- Pour les faibles vitesses de vent où le maximum depuissance est converti,

l’augmenter la puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement

[8].

- Une meilleure exploitation de l‘énergie du vent

- Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente

- Elle adapte l’intégration de

I.6.2.1 Intérêt de la vitesse variable :

La caractéristique générale de la puissance convertie par une turbine éolienne en fonction de

sa vitesse est représentée sur la Figure


à vitesse variable :

Les deux structures existantes des éoliennes à vitesse variable sont présentées sur la

ion de la figure I-19 (a), est basée sur une machine asynchrone à cage,

pilotée au stator de manière à fonctionner à vitesse variable, par des convertisseurs statiques.

igure I-19 (b), est basée sur une machine asynchrone à

et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermé

puissance, situés au circuit rotorique [14].

Figure I-19 : Éolien à vitessevariable.

Les principaux avantages des éoliennes à vitesse variable :

de vent où le maximum depuissance est converti,

puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement

Une meilleure exploitation de l‘énergie du vent [3].

Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente

Elle adapte l’intégration de l’éolienne dans le réseau électrique [8].

de la vitesse variable :


sa vitesse est représentée sur la Figure(I-20):


Page 16

ont présentées sur la Figure(I-

, est basée sur une machine asynchrone à cage,

fonctionner à vitesse variable, par des convertisseurs statiques.

, est basée sur une machine asynchrone à double

et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermédiaire des

de vent où le maximum depuissance est converti, ce qui entraine

puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement

Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente [8].


Chapitre I

Figure I-20 : Caractéristique de la puissance générée en foncti

Pour une vitesse de ventpuissance nominale (point A).

génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne

2éme caractéristique (point B)

Principaux avantages

• Meilleur rendement énergétique.

• Meilleur qualité d’énergie électrique.

• Moins d’efforts mécaniques subis par le train de puissance.

• Le maximum théorique est atteint [3].

Inconvénients :

• Utilisation de machines spéciales.

• Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).

• Complexité des convertisseurs de puissance utilisés.

• La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de

puissance optimum de l’éolienne [

I .7 Avantages et inconvénients des

Avantage :

- L’énergie éolienne est une

- les lieux généralement très proches

- C’est l’énergie la moins chère


Caractéristique de la puissance générée en fonction de

et une vitesse mécanique de la génératrice

(point A). Si la vitesse du vent passe de à, et que la vitesse de la

génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne à vitesse fixe), la puissance

2éme caractéristique (point B) [14].

avantages de ce type:

Meilleur rendement énergétique.

d’énergie électrique.

Moins d’efforts mécaniques subis par le train de puissance.

Le maximum théorique est atteint [3].

Utilisation de machines spéciales.

Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).

Complexité des convertisseurs de puissance utilisés.

La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de

l’éolienne [4].

Avantages et inconvénients des éoliennes :

énergie renouvelable et locale ;

les lieux généralement très proches [11] ;

C’est l’énergie la moins chère ;


Page 17

on de Ω2:[2 ; 3 ;14].

énératrice Ω1, on obtient une

, et que la vitesse de la

à vitesse fixe), la puissance se trouve sur la

Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).

La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de

Chapitre I

- La période de haute productivité se situe en hiver,

où la demande en électricité est plus forte

- Pour les éoliennes à axe horizontal,

pales [14] ;

- Et pour éoliennes à axe vertical,

sol donc facilement accessibl

- ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà

Inconvénients :

- Le bruit aérodynamique lié à la vitesse de rotation du rotor

- L’impact sur les parcours migratoires des oiseaux et l’impact visuel

- La perturbation de la récep

images télévisées ;

- La qualité stochastique de

l’instabilité de la production

- C’est une source couteuse à

I.8 Types de conversions électromécaniques :

I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil :

La plupart des applications utilisant

fonctionnement en moteur, mais

robustesse et de faible coût ainsi que l'absence de balais

sur des bagues la rendent tout à fait appropriée pour l'utilisation dans lesconditions parfois

extrêmes que présente l'énergie éolienne.

Figure I-21 : Caractéristique couple /vitesse d’une machine a


productivité se situe en hiver, ce qui correspond à la période de l’année

électricité est plus forte ;

Pour les éoliennes à axe horizontal, Une plus grande efficacité en raison de la hauteur de

Et pour éoliennes à axe vertical, Les organes de commande et le générateur sont au niveau du

sol donc facilement accessibles.

ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà

Le bruit aérodynamique lié à la vitesse de rotation du rotor [11] ;

L’impact sur les parcours migratoires des oiseaux et l’impact visuel ;

réception des ondes hertziennes, ce qui provoque la distorsion des

La qualité stochastique de la puissance électrique à cause du vent aléatoire qui provoque

l’instabilité de la production ;

C’est une source couteuse à rendement faible dans les sites moins ventés

I.8 Types de conversions électromécaniques :

I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil :

applications utilisant la machine asynchrone sont destinées à un

fonctionnement en moteur, mais cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de

robustesse et de faible coût ainsi que l'absence de balais-collecteurs ou de contacts glissants


mes que présente l'énergie éolienne.

Caractéristique couple /vitesse d’une machine asynchrone à 2 paires de pôles

[13 ;4].


Page 18

ce qui correspond à la période de l’année

Une plus grande efficacité en raison de la hauteur des

Les organes de commande et le générateur sont au niveau du

ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà.

tion des ondes hertziennes, ce qui provoque la distorsion des

la puissance électrique à cause du vent aléatoire qui provoque

rendement faible dans les sites moins ventés[11].

machine asynchrone sont destinées à un

cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de

collecteurs ou de contacts glissants


synchrone à 2 paires de pôles

Chapitre I

Figure I-22:

• Pour assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse

de rotation proche du synchronisme

• Si le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).

• La fréquence étant imposée par le réseau,

• Si le glissement devient trop important les courants

peuvent devenir destructeurs.

• La simplicité de la configuration permet de limiter la maintenance sur la machine.

• Des capacités sont indispensables pour fournir

magnétisation de la machine

Figure I

L’introduction de convertiss

découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la

faire fonctionner l’aérogénérateur à vitesse variable. Le dispositi

figure(I-24).

Les convertisseurs utilisés

échangée entre la machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes

non négligeables (jusqu'à 3% de la puissance nominale de la machine) et entraînent des


:Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil.

assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse

de rotation proche du synchronisme

le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).

fréquence étant imposée par le réseau,

nt trop important les courants statoriques de la machine augmentent et

peuvent devenir destructeurs.


• Des capacités sont indispensables pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la

magnétisation de la machine [4].

Figure I-23 : Eolienne directement connectée au réseau

convertisseurs de puissance entre la machine et le réseau permet de

découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la

fonctionner l’aérogénérateur à vitesse variable. Le dispositif de base est représenté sur a

Les convertisseurs utilisés sont dimensionnés pour la totalité par cette puissance

machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes



Page 19

Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil.

assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse

le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).

statoriques de la machine augmentent et


l'énergie réactive nécessaire à la

directement connectée au réseau.

le réseau permet de

découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la machine, et ainsi de

f de base est représenté sur a

és pour la totalité par cette puissance

machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes


Chapitre I

perturbations qui nuisent au rendement et à la qualité de l'énergie délivrée. De plus, la

présence des capacités est indispensable pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la

magnétisation de la machine.

redresseur est unidirectionnel.

cette structure [3 ; 15].

Plusieurs travaux ont été effectués, ayant pour objectif l‘étude du régime transitoire de la

machine asynchrone à cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont

été effectués par les auteurs sur le générateur asynchrone, en fonctionnement autonome,

visant de maintenir stable la tension et la fréquence.

Figure I-24:

I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné) :

Figure

Comme c’est le cas pour un stator classique, les machines asynchrones à rotor bobiné ont des

enroulements logés dans des encoches.

glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur

Contrairement aux machines à cage directement connectées au réseau, les machines

asynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter




magnétisation de la machine. Cette énergie ne peut pas être fournie par le réseau car le

redresseur est unidirectionnel. Ces inconvénients ont freiné le développement industriel de


cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont


ble la tension et la fréquence.

Machine asynchrone avec liaison indirecte au réseau


Figure I-25 : Machine à induction à rotor bobiné.


ments logés dans des encoches. Les courantsrotoriques circulent via des anneaux qui

glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur


ynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter


Page 20



ie par le réseau car le

Ces inconvénients ont freiné le développement industriel de


cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont


ison indirecte au réseau.


.


circulent via des anneaux qui

glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur.


ynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter


Page 21

aux variations de puissance fournies par la turbine, augmentant ainsi le rendement du système

[15].

I.8.2.1Types de machine asynchrone à double alimentation :

• Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée

• Machine asynchrone à double alimentation – structure de KRAMER

• Machine asynchrone à double alimentation – structure de SCHERBIUS avec cyclo

convertisseur

• Machine asynchrone à double alimentation – structure de scherbius avec

convertisseur MLI

I.8.3.Générateur synchrone :

La machine synchrone peut être à inducteur bobiné ou à excitation par aimants permanents.

Les deux structures associées à la production éolienne exploitent des interfaces d‘électronique

de puissance pour le raccordement au réseau ou pour le fonctionnement autonome. Elle est

considérée comme une solution concurrente à la GADA.

I.9 Conclusion :

Une brève description du gisement éolien a été présentée dans ce chapitre. Quelques notions

principales sur les différents types d‘éoliennes dans le contexte de la génération électrique

mais cette étude se limitera uniquement au cas des éoliennes à axe horizontal. Nous avons

décrit les différents éléments d‘une éolienne et les principalestechniques adoptées pour la

régulation de la puissance aérodynamique recueillie par la turbine (le calage variable ou le

décrochage aérodynamique),les machines électriques et leurs convertisseurs associés,

adaptables à un système éolien:(machines asynchrones, et machine synchrones).

Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS

Page 22

II.1 Introduction :

L’accroissement énorme de la demande de l’énergie électrique et les contraintes

économiques de construire de nouveaux ouvrages conduisent à l’exploitation des

réseaux électriques prés de leurs limites de stabilité et de sécurité. En effet, l’instabilité

des réseaux électriques présente un problème majeur dans le bon fonctionnement de ces

derniers. Les perturbations inévitables telles que les courts circuits, les indisponibilités

momentanées des lignes de transmission, des générateurs, les transformateurs ainsi que

les pertes dans les lignes peuvent affecter le réseau électrique à tout instant et l’amener

en dehors de sa zone de stabilité. La stabilité d’un réseau électrique est donc la propriété

qui lui permet de rester dans un état d’équilibre, pour des conditions de fonctionnement

normales, et de retrouver un état d’équilibre acceptable, suite à une perturbation

[25].Dans ce chapitre, nous allons également étudier les moyens classiques et modernes

via les systèmes FACTS.

Parmi les composants de FACTS, le STATCOM du fait de ses avantages sera étudié

plus en détail dans ce mémoire.

II.2 Stabilité des systèmes électrique :

La définition, la plus récente de la stabilité d’un groupe de travail IEEE est :La stabilité

d’un système de puissance est la capacité d’un système d'énergie électrique, pour une

condition de fonctionnement initiale donnée, de retrouver le même état ou un

autre état d’équilibre proche après avoir subi une perturbation physique, en gardant la

plupart des variables de système dans leurs limites, de sorte que le système entier reste

pratiquement intact [23 ;27].

On dit qu'un système d’énergie électrique est stable si à la suite d’une perturbation, il

peut passer d’un état ou régime stationnaire à un autre régime stationnaire en passant

par le régime transitoire sans la perte du synchronisme. Suivant la nature et l’amplitude

de la perturbation, on distingue trois types de stabilité (figure II-1) :

- la stabilité de l’angle de rotor ;

- la stabilité de tension ;

- la stabilité de fréquence.


Page 23

Figure II-1 : Classification de la stabilité des réseaux de puissances [27].

II.2.1 Stabilité de tension :

La stabilité de tension est la capacité d‘un réseau électrique de maintenir la tension de

fonctionnement normal dans les limites admissibles à tous les jeux de barres, après

avoir été soumis à une perturbation, pour une condition de fonctionnement initiale

donnée. Elle dépend donc de la capacité de maintenir/restaurer l‘équilibre entre la

demande de la charge et la fourniture de la puissance à la charge [23].

L'instabilité se produit sous la forme d'une baisse ou d'une augmentation de tension

progressive dans certains nœuds.

II.2.2 Stabilité de fréquence :

La stabilité de la fréquence d‘un système de puissance se définit par la capacité du

système de maintenir sa fréquence proche de la valeur nominale suite à une perturbation

sévère menant par conséquent à un important déséquilibre, entre les puissances produite

Stabilité du système de puissance

Stabilité angulaire

Stabilité de puissance

Stabilité de tension

Stabilité aux petites

perturbations

Stabilité aux grandes

perturbation

Stabilité dynamiqu

e

Stabilité transitoire

Court terme

Court terme

Long terme

Stabilité aux petites

perturbation

Stabilité aux grandes

perturbations

Court terme

Long terme


Page 24

et consommée [3]. Le maintien de la fréquence à une valeur nominale dans un système

de puissance est lié à l‘équilibre global entre les puissances actives produites et

consommées (y compris les pertes).

II.2.3 Stabilité angulaire :

La stabilité de l’angle de rotor concerne la capacité des machines synchrones d’un

système de puissance interconnecté de rester en synchronismesuite à une perturbation.

Elle dépend de lacapacité de maintenir/restaurer l’équilibre entre les couples

électromagnétique et mécanique agissant sur le rotor de chaque machine synchrone dans

le système. L’instabilité qui peut résulterse produit sous forme d’augmentation des

oscillations angulaires de certains générateurs pouvant conduire à une perte de

synchronisme avec d’autres générateurs. Suivant l’amplitude de la perturbation, nous

pouvons caractériser la stabilité de l’angle de rotor en deux sous-catégories :

II.2.3.1 Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique) :

La stabilité d'angle rotorique de petite perturbation (ou en petits signaux) est la

capacité du système électrique à maintenir le synchronisme sous de petites

perturbations. Les perturbations sont considérées comme suffisamment petites pour que

la linéarisation des équations du système soit permise aux fins de l'analyse [3].

II.2.3.2 Stabilité angulaire aux grandes perturbations (stabilité transitoire) :

La stabilité transitoire d’un réseau électrique est son aptitude à retrouver une position

d’équilibre stable après une perturbation brusque et de forte amplitude. Cette

perturbation peut écarter notablement le réseau de sa position initiale. Le phénomène de

stabilité transitoire concerne les grandes perturbations. Nous pouvons citer :

• Les courts-circuits affectant un élément du réseau, notamment aux

bornes des machines.

• La perte d’ouvrages.

• La perte de groupes de production, etc.

La stabilité transitoire dépend :

• du type de perturbation.

• de la durée de perturbation.

• du lieu de perturbation.


• de la performance des systèmes

• du point de fonctionnement avant défaut [4 ; 8

Les conséquences de ces défauts peuvent être très graves, pouvant même

conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste

suite à la perturbation (plus précisément dans la première seconde qui suit

l’élimination du défaut), elle est appelée instabilité

Swing Instability), (cas 1,

résulter de la superposition des effets de plusieurs modes d’oscillation lents excités par

la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au

la première oscillation (instabilité de mult

de temps associée s’étend de

Figure II

Cas 1 : instabilité de première oscillation.

Cas 2 : instabilité de multi

II.3 Moyens d’amélioration de la

La stabilité peut être améliorée en utilisant des

années, un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de

tels contrôleurs.

II.3.1 Moyens classique

En général, les moyens de compensation et de réglage à mettre en œuvre doivent faire

face aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance

apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS

de la performance des systèmes de protection (relais, rè-enclenchement).

e fonctionnement avant défaut [4 ; 8].


conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste


l’élimination du défaut), elle est appelée instabilité de première oscillation (

(cas 1, figure (II-2)), et elle s’étend sur 3 à 5 secondes. Elle peut


la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au

la première oscillation (instabilité de multi oscillations), (cas 2, figure (II

de temps associée s’étend de 10 à 20 secondes [3; 25 ;23 ; 27].

Figure II -2: Variation d’angle de rotor.

Cas 1 : instabilité de première oscillation.

Cas 2 : instabilité de multi-oscillations.

mélioration de la stabilité :

La stabilité peut être améliorée en utilisant des systèmes de contrôle adaptés. Au fil des

un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de

:


aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance


Page 25

enclenchement).


conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste directement


première oscillation (First

5 secondes. Elle peut


la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au-delà de

II -2)). La gamme

es de contrôle adaptés. Au fil des

un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de


aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance


mais aussi aux variations brusques liées aux incidents sur le résea

compensation de l'énergie réactive et de réglage de la tension sont:

- des condensateurs et inductances fixes ;

- des compensateurs synchrones ;

- des transformateurs à prises variables (en charge ou à vide) ;

- les groupes générateurs.

L'ajustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont

assurés par les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs

des postes de transformation

compensation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarifi

pénalise un mauvaiscos charge des transformateurs au niveau des postes

a. Condensateurs et inductances fixes

Les batteries des condensateurs installées en dérivation peuvent atteindre

quelquesMVArfractionnables

MVArElles sont utilisées pour améliorer le facteur de

inductives. Parmi leurs inconvénients :

- la puissance réactive produite diminue lorsque la tension

Q =² alors qu'elledevrait augmenter ;

- surtensions et surintensités à l'enclenchement.

Des batteries de condensateurs peuvent être insérées en série avec les conducteurs d'une

ligne afin de diminuer sa réactance. On diminue aussi la chute de tension entre la source

et la charge comme indiquée sur la

diminue l'angle de transport

augmente la limite de puissance transmissible et

Figure II


mais aussi aux variations brusques liées aux incidents sur le réseau. Les dispositifs de

compensation de l'énergie réactive et de réglage de la tension sont:

des condensateurs et inductances fixes ;

des compensateurs synchrones ;

des transformateurs à prises variables (en charge ou à vide) ;

les groupes générateurs.

ustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont

les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs

des postes de transformation vers le réseau de répartition. En distribution, la

ation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarifi

, l'ajustement de la tension se réalisant par les prises en

charge des transformateurs au niveau des postes[28].

Condensateurs et inductances fixes :


fractionnables par gradins de 2 à 4 MVAr, peuvent atteint

es pour améliorer le facteur de puissance au niveau de charges

inconvénients :

la puissance réactive produite diminue lorsque la tension diminue

qu'elledevrait augmenter ;

surtensions et surintensités à l'enclenchement.



indiquée sur la Figure (II-3). On voit que ce type de comp

diminue l'angle de transport et agit donc aussi sur le transit de puiss

de puissance transmissible et la stabilité du réseau [29]

Figure II -3 : Principe de la compensation série.


Page 26

u. Les dispositifs de

ustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont

les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs

En distribution, la

ation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarification qui

la tension se réalisant par les prises en


, peuvent atteint 10

puissance au niveau de charges

diminue



On voit que ce type de compensation

puissance active et

[29].


Page 27

Les inductances sont utilisées pour absorber la puissance réactive produite par des haute

tension à faible charge ou des réseaux de câbles. Elles sont généralement raccordées au

tertiaire de transformateurs et leur puissance peut aller de 50 MVAr (via un

transformateur à trois enroulements) à 40 MVAren raccordement direct sur des lignes

de très haute tension.

b. Groupes de production et compensateurs synchrones :

Parmi les groupes de production de source de tension ou de consommer de

l’énergie réactive notamment une machine synchrone surexcitée fournit de

l'énergie réactive comme un condensateur. En sous-excitation, elle absorbe du réactif

comme une inductance. Vu l'éloignement électrique entre les centres de production et de

consommation, les groupes ne compensent pas les charges mais peuvent faire face aux

besoins en réactif du réseau. La fourniture de puissance réactive en surexcitation est

limitée par le courant rotorique maximum et en absorption par la stabilité de la machine

synchrone. Cette limite peut varier avec des régulateurs de tension [8].

c. Transformateurs avec prises réglables en charge :

Un transformateur à régleur en charge modifie le rapport de transformation en

augmentant ou diminuant le nombre de spires de l’enroulement haute tension. Il

faut prendre garde de ne pas interrompre le courant ni mettre des spires en court-circuit

lors de la commutation. Cela est réalisé par l’insertion temporaire d’une inductance ou

d’une résistance. La plage de réglage est typiquement de ±15% avec une vingtainede

prises (échelon entre 1 et 2 %). Par rapport au réglage nominal, unchangement de prises

correspond à une injection d’une tension additionnelle au point d’insertion du

transformateur, ce qui implique une modification de la répartition de la puissance

réactive dans la zone concernée [8].

II.3.2 Moyens modernes (FACTS) :

Devant les problèmes de transit de puissance, la compagnie américaine EPRI (Electric

Power Research Institute) a lancé, en 1988, un projet d’étude des systèmes FACTS afin

de mieux maîtriser le transit de puissance dans les lignes électriques [3].

Les système FACTS ( Flexible AC Transissions Systèmes) est l’abréviation définie

comme suite « une structure d’électronique de puissance ou tout autre système statique


Page 28

qui fournit des degrés de contrôle sur un ou plusieurs paramètres du réseau alternatif

pour augmenter la contrôlabilité et améliorer la capacité de transfert de puissance » [8].

La technologie FACTS n'est pas limitée en un seul dispositif mais elle regroupe une

collection de dispositifs à base de l'électronique de puissance implantés dans les réseaux

électriques afin de mieux contrôler le flux de puissance et augmenter la capacité de

transit de leurs lignes. Par action de contrôle rapide de ces systèmes sur l'ensemble des

paramètres du réseau: tension, impédance, déphasage …etc. Ils permettent d'améliorer

les marges de stabilité et assurer une meilleure flexibilité du transfert d'énergie.

a. Différentes Catégories des FACTS :

Les dispositifs de la technologie la plus avancée des FACTS avec des convertisseurs de

sources de tension à base des interrupteurs statiques sophistiqués IGBT (en

anglais, InsulatedGateBipolar Transistors) ou bien les IGCT (en anglais,

InsulatedGateCommutated Thyristors) ; tels que le STATCOM, le SSSC et l'UPFC.

Le tableau (II.1) représente les grandes catégories des dispositifs de contrôle des

réseaux électriques. Les dispositifs FACTS.

TableauII.1 : Principaux dispositifs FACTS :

Dispositif FACTS (Rapide, Statique)

A base de thyristor A base de convertisseur de

tension

Dispositif shunt Compensateur de puissance

réactive statique (SVC)

Compensateur statique

synchrone (STATCOM)

Dispositif série Compensateur série contrôlé par

thyristor (TCSC)

Compensateur série statique

synchrone SSSC

Dispositif série- shunt Contrôleur dynamique de flux de

puissance(DFC)

Contrôleur universel de flux de

puissance (UPFC)

Dispositif série- shunt HVDC back to back (HVDC) HVDC VSC back to back

(HVDC VSC)


Page 29

Les systèmes FACTS sont devisé en trois grandes catégories principales :

- Compensateurs séries.

- Compensateurs shunt.

- Compensateurs hybrides série-shunt.

b. Le rôle des FACTS :

TableauII.2 :résume d'une manière simple l'impact de l'utilisation de chaque

FACTS, à la résolution des différents qui entravent le bon fonctionnement du

réseau électrique.

TableauII.2 :La correction via les FACTS.

Le problème fréquenté Correction de

l’action

Type de

FACTS

utilisé

les

limite

s de

tens

ions

Faible tension à

chargeimportante.

Fournir de la

puissance réactive.

STATCOM,

SVC

Haute tension à

faible charge.

Absorbe de la


STATCOM,

SVC, TCR

Haute tension

suitun court-

circuit.

Absorbe la puissance

réactive ; surcharge STATCOM,

SVC, TCR

Faible tension suit

un court-circuit

Fournir la puissance

réactive ; surcharge

STATCOM,

SVC

Les

limite

s

ther

miq

ues

surcharge Réduction de

surcharge

TCSC,

SSSC,

UPFC, PS

l’éco

ulem

ent

de p

uiss

ance

Inversement de

sens de

l’écoulement

depuissance

Fixation de l’angle

de phase

IPS, SSSC,

UPFC, PS


c- Structure des principaux dispositifs FACTS

-TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor)

Un circuit TCR est composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors

montés en antiparallèle, comme le montre la figure

est continuellement changée par l‘amorçage des thyristors.

Figure

• TSC (Thyristor SwitchedCapacitor)

Le circuit TSC est composé d‘une

thyristors montés en antiparallèle,

thyristors fonctionnent en pleine conduction.

• SVC (Static Var Compensator)

Le SVC est une association des dispositifs TCR, TSC, batterie de c

des filtres d‘harmoniques. Ces dispositifs constituent le

connu sous le nom de SVC

exemple a été installé en 1975

capacitive (+V) à inductive

réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut

La caractéristique statique es

sont distinctes :


Structure des principaux dispositifs FACTS :

TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor)

composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors

, comme le montre la figure (II-4-a), la valeur de l‘impédance

est continuellement changée par l‘amorçage des thyristors.

Figure II-4: Schéma de TCR et TSC.

TSC (Thyristor SwitchedCapacitor)

TSC est composé d‘une réactance capacitive placée en série avec deux

thyristors montés en antiparallèle, comme le montre la figure (II-4-b),pour un TSC les

thyristors fonctionnent en pleine conduction.

SVC (Static Var Compensator)

Le SVC est une association des dispositifs TCR, TSC, batterie de condensateurs fixes

des filtres d‘harmoniques. Ces dispositifs constituent le compensateur

connu sous le nom de SVC (compensateur statique d‘énergie réactive) dont le premier

installé en 1975. Un SVC est une impédance continuellement ajusta

capacitive (+V) à inductive (-V), qui peut rapidement répondre à des modifications du

réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut

est donnée sur la figure (II-5), trois zones de fonctionnement


Page 30

TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor) :

composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors

la valeur de l‘impédance

placée en série avec deux

pour un TSC les

ondensateurs fixes et

compensateur hybride, plus

(compensateur statique d‘énergie réactive) dont le premier

llement ajustable

V), qui peut rapidement répondre à des modifications du

réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut.

trois zones de fonctionnement


- Une zone où seules les capacités sont connectées au réseau.

- Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de

TSC.

- Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateu

déconnectés.

Les principales applications du compensateur statique de

- Soutien de la tension en régime permanent ;

- Compensation rapide de la puissance réactive ;

- Réduction des risques de résonance hypo synchrone;

- Amortissement des oscillations de puissance

Figure

Figure


Une zone où seules les capacités sont connectées au réseau.

Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de

Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateu

Les principales applications du compensateur statique de puissance réactive sont :

Soutien de la tension en régime permanent ;

Compensation rapide de la puissance réactive ;

Réduction des risques de résonance hypo synchrone;

Amortissement des oscillations de puissance[3].

Figure II-5 : Schéma de base d‘un SVC.

Figure II-6 : Caractéristique d‘un SVC.


Page 31

Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de

Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateurs sont

puissance réactive sont :


- STATCOM : (StaticsynchronousCompensator)

d’IGBT contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle

avec une source de tension

consommer à part égale de la puissance réactive de

fonctions que le SVC mais avec beauc

harmoniques Figure (II-7).

connectés en parallèle à son voisinage pour

fonctionnement. Le premier

une tension de bus continu c

permettent un contrôle souple et rapide qui rend son

compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM

continus, c’est-à-dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet

d’avoir un échange de puissance

différentes (synchronisation, tension, fréquence)

Figure II-7 : (a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent

Pour un STATCOM idéal, n'ayant pas des

puissanceréactive suivante décrit le

électrique.

= |

Si ||>| | , alors


Si| |˂ | |, alors


− SSSC (StaticSynchronousSeries

dispositifs FACTS ; similaire à un STATCOM mais avec une source de tension en


(StaticsynchronousCompensator): est un ensemble, onduleur

contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle

avec une source de tension continu. Un onduleur est capable de générer et de

le de la puissance réactive de telle manière à remplir les mêmes

fonctions que le SVC mais avec beaucoup plus de souplesse et moins

Cet équipement peut être associé avec des éléments réactifs

connectés en parallèle à son voisinage pour modifier les plages de

premier STATCOM a été conçu en 1990. Ce système

bus continu constante. Les IGBTs à fréquence de commutation élevée

permettent un contrôle souple et rapide qui rend son utilisation possible pour une

compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM

dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet

’avoir un échange de puissance active entre deux réseaux de caract

différentes (synchronisation, tension, fréquence) [8].

(a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent

Pour un STATCOM idéal, n'ayant pas des pertes actives, l'équation de la

réactive suivante décrit le transfert de cette dernière avec le réseau

|²

- ||||

cos - ) =

|| |||

, alors devient positive et le STATCOM absorbe de la

, alors devient négative et le STATCOM fournie de la

(StaticSynchronousSeriesCompensator) : c’est un des



Page 32

onduleur à base

contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle

continu. Un onduleur est capable de générer et de

telle manière à remplir les mêmes

oup plus de souplesse et moins de perturbations

cié avec des éléments réactifs

modifier les plages de

ATCOM a été conçu en 1990. Ce système fonctionne à

commutation élevée

n possible pour une

compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM par leur bus

dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet

active entre deux réseaux de caractéristiques

(a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent.

l'équation de la

transfert de cette dernière avec le réseau

||

devient positive et le STATCOM absorbe de la

devient négative et le STATCOM fournie de la

c’est un des plusimportants


(II- 1)


série avec l’impédance de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(

12). Ce dispositif appelé aussi DVR (Dynamic Voltage

généralement dans les réseaux dedi

d'énergie tels que les creux de

constants.

Figure II-8 : (a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC

Dans le but d'un fonctionnement stable, c

SPS (Static Phase Shifter) ou d'une impédance série variable de compensation : il

applique une tension en quadrature avec une tension des extrémités de la ligne pour

contrôler l’écoulement de puissance active.

En effet, ce système n’absorbe

son propre énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a

contrôler à la fois la puissance active et réactive. Sa caractéristi

sur la Figure (II-9)suivante

Figure

Dans le modèle adopté pour ce dispositif, la valeur de la source de tension connectée en

série et donnée par la formule


de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(

). Ce dispositif appelé aussi DVR (Dynamic VoltageRestorer) est

généralement dans les réseaux dedistribution afin de résoudre les problèmes de qualité

d'énergie tels que les creux de tensions et maintenir ces dernières à des niveaux

(a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC

Dans le but d'un fonctionnement stable, ce dispositif performe les mêmes



contrôler l’écoulement de puissance active.

En effet, ce système n’absorbe pas de puissance réactive à partir du réseau mais possède

énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a

la puissance active et réactive. Sa caractéristique statique est donnée

:

Figure II-9 : Caractéristique statique du SSSC.


série et donnée par la formule (II- 2) :


Page 33

de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(II-

Restorer) est utilisé

afin de résoudre les problèmes de qualité

tensions et maintenir ces dernières à des niveaux

(a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC.

e dispositif performe les mêmes fonctions d'un



pas de puissance réactive à partir du réseau mais possède

énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a l'aptitude de

que statique est donnée



L’amplitude et la phase de ce

Newton pour satisfaire les puissances active et réactive spécifiques qui transitent ce

dispositif.

-TCSC (Thyristor ControlledSeriesCapacitor) :

série avec un gradateur et l’ensemble en parallè

TCSC placé en série dans une ligne de transport permet de contrôler le flux de

puissance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie

selon l’angle de retard à l’amorçage des thyristors

En supposant que le TCSC est installé en série dans une ligne entre

barres de la Figure(II-4 (b)

par l’équation (II- 4) suivante :

Figure II-10 : (a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable

− UPFC (Unified Power Flow

convertisseurs de tension

côtés continus et possédant

schéma de principe et son schéma équivalent.


= || (cos + j sin )

plitude et la phase de ce modèle et sont ajustées en utilisant l’algorithme


TCSC (Thyristor ControlledSeriesCapacitor) : il est constitué d’une inductance en

série avec un gradateur et l’ensemble en parallèle avec une capacité Figure(


sance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie

selon l’angle de retard à l’amorçage des thyristors α donné par la formule (

X (α) = !"

# $ % &' ()* +

,!-"²

le TCSC est installé en série dans une ligne entre les deux jeux de

)), la puissance qui transite ces deux jeux de barre

) suivante :

. = |||/|

0 1232sin - )

(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable

UPFC (Unified Power Flow Controller) : L’UPFC est composé de deux

tension (onduleur) qui partagent le même condensateur dans

continus et possédant un système de commande unifié, la Figure (II

schéma de principe et son schéma équivalent.


Page 34

sont ajustées en utilisant l’algorithme de


il est constitué d’une inductance en

le avec une capacité Figure(II- 10). Le


sance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie

é par la formule (II- 3).

les deux jeux de

, la puissance qui transite ces deux jeux de barres est régie

(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable.

mposé de deux

condensateur dans leurs

II - 11)donne son

(II- 2)

(II- 3)

(II-4)


- Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance

active, la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité

sont acquises par l'échange d'énergie entre les deux convertisseurs: la puissance active

demandée par le convertisseur série est tirer du réseau par le convertisseur shunt à

travers la partie continue DC pour l’acheminée au jeu de barre « R ». la tension de sortie

du convertisseur série 4

soutenir la tension de jeu de barre

4permet la régulation de la tension et la phase

flux de puissance.

Figure II-11 : (a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC

− SPS (Static PhaseShifter)

basede thyristors, ce dispositif a été conçu pour remplacer

déphaseurs commandés mécaniquement. Il

branché en série avec la ligne et l'autre en

de principe de ce dispositif

Ce dispositif permet de varier l’angle

ligne.Son principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tensi


Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance

la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité




est ajoutée à la tension du jeu de barre de dé

de jeu de barre « R ».De ce fait l’amplitude de la te

permet la régulation de la tension et la phase 4 déterminée le mode de contrôle du

(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC

Shifter) : le déphaseur statique est un transformateur déphaseur

basede thyristors, ce dispositif a été conçu pour remplacer les anciens transformateurs

mécaniquement. Il est constitué de deux transformateurs, l'un

branché en série avec la ligne et l'autre en parallèle. La figure (II- 12)donne un schéma

de principe de ce dispositif et son schéma équivalent.

varier l’angle de phase de la tension aux extrémités de

on principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tensi


Page 35

Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance

la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité




est ajoutée à la tension du jeu de barre de départ « S » pour

e ce fait l’amplitude de la tension ajoutée

déterminée le mode de contrôle du

(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC.

le déphaseur statique est un transformateur déphaseur à

les anciens transformateurs

est constitué de deux transformateurs, l'un

donne un schéma

extrémités de la

on principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tension


de l’extrémité de la ligne à

rapidement du flux de la puissance

phase de la tension appliquée "

pour satisfaire un flux de puissance active spécifié

Figure II- 12 :(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS

La puissance active qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par

la formule suivante :

Un ajustement approprié de l’angle de phase

puissance active a travers le SPS.

II.4 Conclusion :

L‘expansion continuelle des réseaux de transport d‘énergie électrique montre les limites

des capacités de transit des systèmes existants. Le

d‘exploiter le système de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,

alors que les consommateurs sont de plus

et à la continuité de service. Les équipe

compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème

Dans ce chapitre nous sommes intéressés

contrôle et de commande des réseaux él

principalement à base d’onduleurs conçus avec

technologies bien développée présents un temps de réponse très rapide permettant

d’améliorer la stabilité de systèmes électriques.


la ligne à déphaser. Cet équipement permet aussi de contrôler

rapidement du flux de la puissance active. La variable de contrôle

de la tension appliquée "" qui est ajusté en utilisant l’algorithme de newton

e puissance active spécifié.

(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS

qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par

. = |||/|

5sin 6 6 7

approprié de l’angle de phase permet un contrôle précis du flux de

puissance active a travers le SPS.


transit des systèmes existants. Les gestionnaires de réseau sont en train

de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,

alors que les consommateurs sont de plus en plus exigeants quant la qualité

et à la continuité de service. Les équipements à base d‘électronique de puissance, y

compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème

ous sommes intéressés globalement sur les nouveaux dispositifs de

commande des réseaux électriques appelés FACTS d

base d’onduleurs conçus avec les interrupteurs IGBT/GTO


d’améliorer la stabilité de systèmes électriques.


Page 36

équipement permet aussi de contrôler

est l’angle de

utilisant l’algorithme de newton

(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS.

qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par

permet un contrôle précis du flux de


gestionnaires de réseau sont en train

de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,

la qualité de l‘énergie

ments à base d‘électronique de puissance, y

compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème [3].

les nouveaux dispositifs de

ectriques appelés FACTS d’une structure

les interrupteurs IGBT/GTO de


(II-5)

Chapitre III Modéle du Système Etudie

Page 37

III.1. Introduction :

La structure des différents types d’éoliennes n’est pas simplifiée, car cette dernière correspond

à un ensemble d’une turbine éolienne et un générateur. La turbine éolienne est constituée

également d’une turbine et d’un multiplicateur relié entre eux par un arbre. L’étude de la

conception et de l’analyse des dynamiques du système éolien est vraiment délicate, car les

réponses dynamiques du système simulé dépendent fortement des modèles mathématiques

appliqués au système réel.

Dans ce chapitre, on s’intéresse à la modélisation mécanique de la turbine simple en se basant

sur les hypothèses simplificatrices suffisantes pour l’étude de l’aérogénérateur, et pour la

modélisation de la machine électrique, en se basant sur la théorie unifiée des machines

électrique. Cette théorie est basée sur la transformation da Park. Ce chapitre présent la

modélisation de la machine asynchrone à cage d’écureuil dans le repère de naturel (a-b-c) et

dans le repère de Park (d-q). La modélisation des systèmes FACTS (STATCOM) est fait en

utilisant les équations correspondantes [8 ; 3].

III.2. Modéle du système éolien :

III.2.1. Modéles des éléments du réseau électrique :

La modélisation des composants du réseau en fonctionnement triphasé équilibre repose sur les

hypothèses suivantes :

Symétrie des éléments, permettant une représentation d’ordre direct monophasé.

Influence magnétique entre composants négligeable.

Lignes électriques représentées par un schéma de quadripôles équivalents à constantes

concentrées.

Impédance de magnétisation des transformateurs négligée.

L’utilisation des grandeurs réduites (p.u)permet encore une simplification dans

lareprésentation des transformateurs, en les réduisant a une simple impédance série.

Rappelons que l’utilisation des grandeurs réduites repose sur une puissance triphasée de

base(Sbase)et une tension entre phases de base (Ubase), permettant de définir une impédance de

base (Zbase=U2base/Sbase) à partir de laquelle les impédances réduites des composants seront

calculées.


Page 38

Rappelons aussi que l’un des avantages de l’utilisation des impédances réduites est d’avoir

des ordres degrandeur quasi invariant quelle que soit la puissance nominale des machines ou

des transformateurs, lerapport entre les tensions de base cote primaire et cote secondaire est

base sur le rapport detransformation nominal.

Une ligne électrique entre les nœudset jsera donc représentée par le schéma en comme

indiquesur la Figure(III.1) comprenant une impédance série ou longitudinale= + (avecet respectivement résistance totale et inductance totale de la ligne) et une

admittance en parallèle = (+)/2avec (etétant respectivement la

conductance totale et lasusceptance totale d’ordre direct de la ligne).

Figure III.1 : Schéma équivalent d’une ligne électrique [8].

Le transformateur est représenté par un quadripôle en .Les grandeurs associées sont le

rapport de transformation et l’impédance de fuite. Les rapportssont inclus dans les

éléments de la matrice admittance. Les susceptance de la matrice admittancesont vues

comme des fonctions de rapports de transformation comme montre dans laFigure (III.2).

Figure III.2 : Schéma équivalent d’un transformateur en [8].

La charge est représentée par une impédance Z :

21

V

jQPzy

−== −

Figure III.3 : Schéma équivalent d’une charge.

2 2

(1 − ) ! "²#$ ( − 1) ! "#$

!


Page 39

III.2.2. Modéle du générateur éolien :

III.2.2.1. Le vent :

Le vent est la raison d’être des aérogénérateurs. Son énergie cinétique constitue la source

primaire d'énergie. Le vent est en fait un champ de vitesses de déplacement de masses d'air

caractérisé par sa vitesse et sa direction qui sont affectées par plusieurs facteurs, en

particulier, le phénomène de cisaillement et l'effet d'obstacle de la tour.

Les propriétés dynamiques du vent sont capitales pour l'étude de l'ensemble du système de

conversion d'énergie car la puissance éolienne, dans les conditions optimales, évolue au cube

de lavitesse du vent. La vitesse du vent sera modélisée sous forme déterministe par une

somme de plusieurs harmoniques

%& (t) = ' + ∑) − 1(* . sin(/* . 0&. 1))

Où :

%& (t):Evolution temporelle de la vitesse du vent.

III.2.2.2. La turbine éolienne :

Le dispositif, qui est étudié ici, est constitué d’une turbine éolienne comprenant des pales de

longueur Rentrainant une génératrice à travers un multiplicateur de vitesse de gain G, comme

montre la Figure (III.3).

Figure III.4 : Schéma de la turbine éolienne [14].

Turbine Multiplicateur Générateu

r

R v

234

Ω34 Ω!567*3

89:;<

(III.1)


Page 40

La puissance du vent ou la puissance éolienne est définie de la manière suivante:

=&=>.?.&@

A

Où :

Bestla densité de l’air(B=1.22CD EF⁄ à la pression atmosphérique à 15°(∁).

Iest la surface circulaire balayée par la turbine, le rayon du cercle est déterminé par la

longueur de la pale.EF

Jla vitesse du vent (E K⁄ )

La puissance aérodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine s’écrit alors :

="36 =LM . =&= LM(N, P )>.?.&@A

Le coefficient de puissanceLM, est en fonction de l’angle d’orientation des pales P le ratio de

vitesse N.Ce ratio de vitesse est défini comme le rapport entre la vitesse de la turbine et la

vitesse du vent : Q = RS9:;<T

Où :

U!567*3est la vitesse de la turbine.

Connaissant la vitesse de la turbine, le couple aérodynamique est donc directement déterminé

par :

8V< = WV<S9:;< =8W.

X.Y.TZ[ . \S9:;<

III.2.2.3.Modèle du multiplicateur :

Le multiplicateur adapte une vitesse lente de la turbine à la vitesse de la génératrice. Ce

multiplicateur est modélise mathématiquement par les deux équations suivantes : 8 =8V<]

(III.2 )

(III.3)

(III.4)

(III.5)

(III.6)


Page 41

S9:;< =S^<_]

Où :

` : est le gain du multiplicateur.

Ua3b : est la vitesse mécanique de la génératrice(cd K ).

III.2.2.4. L’arbre mécanique :

La masse de la turbine éolienne est reportée sur l'arbre de la turbine sous la forme d'une

inertiee!567*3et comprend la masse des pales et la masse du rotor de la turbine. Le modèle

mécanique proposé considère l'inertie totale fconstituée de l'inertie de la turbine reportée sur

le rotor de la génératrice et del'inertie de la génératrice.

j = ijkl#mnop + jq

Il est à noter que l'inertie du rotor de la génératrice est très faible par rapport à l'inertie de

laturbine reportée par cet axe. L'équation fondamentale de la dynamique permet de

déterminerl'évolution de la vitesse mécanique à partir du couple mécanique total (Cmec)

appliqué au rotor : _^<_ = f rstnur! +f

Oufl’inertie total qui apparait sur le rotor de la génératrice, _a3bcouple mécanique prend

encompte, le couple électromagnétique_3aproduit par la génératrice, le couple des

frottementsvisqueux_Tv, et le couple issu du multiplicateur_q.

La3b= Lq- L3a- L&w

Le couple résistant dû aux frottements est modélisé par un coefficient de frottements

visqueuxf : L&w= f Ωyz

Où : L&wLe couple des frottements visqueux (N. m).

(III.7)

(III.8)

(III.9)

(III.10)

(III.11)


Page 42

III.2.2.5. Machine asynchrone à cage :

Une machine asynchrone à cage est constituée de 2 parties : le stator et le rotor. Le stator,

représente la partie statique de la machine. Il est constitué d’un circuit magnétique comportant

de multiples encoches à l’intérieur desquelles sont placées 3 bobinages formant l’enroulement

triphasé du stator. Le rotor, partie mobile, est formé d’un circuit magnétique où sont logées

des barres généralement en cuivre ou en aluminium coulées. Ces barres sont reliées entre elles

à chaque extrémité par un anneau de court-circuit.

Ainsi le stator est formé de trois enroulements fixes montés en étoile et décalés dans l’espace

d’un angle de 120° et traversés par trois courants triphasés équilibrés. Il en résulte la création

d’un champ tournant dans l’entrefer dont la vitesse de glissement est de :

v = ᴡvW

Où :

ᴡw : Pulsation des grandeurs électriques statoriques.[8]

Uw : désigne la pulsation du réseau d’alimentation triphasé statorique.

= : est le nombre de bobines de chaque bobinage et ´également le nombre de paires de pôles

du champ magnétique apparaissant au stator.

Le rotor de la machine supporte un bobinage triphasé avec un même nombre de pôles que

celui du stator couplé en étoile. Ce type de rotor est dit bobiné mais on peut envisager un rotor

plus sommaire constitué de barres conductrices court-circuitées par un anneau conducteur à

chaque extrémité. Ce second type de machines est appelé machines asynchrone à cage. Le

rotor tourne par rapport au stator à la vitesse : ^<_= 9où, étant l’angle entre le repère

statorique et le repère rotorique.Comme montre a lafigure (III.4)

(III.12)


Page 43

Figure III.5 : Structure générale de la machine asynchrone[8].

III.2.2.5.1. Equations électriques :

Les enroulements des trois phases statoriques et des trois phases rotoriques dans l’espace,

peuvent être représentés comme indiqué dans la figure (III.4). La loi de FARADAY permet

d‘écrire les équations générales de la machine asynchrone dans un reperce triphasé sous la

forme matricielle:

V = Ri + rr!

Où représente le flux total à travers l’enroulement.

Jw"Jw7Jwb =rr! w"w7wb + w 0 00 w 00 0 w w"w7wb

Pour les enroulements statoriques, on écrira en notation matricielle:

J6"J67J6b =rr! 6"676b +6 0 00 6 00 0 6 6"676b

vV

v_

v

Tv_

Tv

TvV

_

V T

T_TV

(III.13)

(III.14)

(III.15)


Page 44

Jw",Jw7, Jwb: sont les tensions simples triphasées au stator de la machine. w",w7 ,wb : sont les courants au stator de la machine. w", w7, wb : sont les flux propres circulant au stator de la machine. J6",J67, J6b: sont les tensions simples triphasées au rotor de la machine. 6",67 ,6b : sont les courants au rotor de la machine. 6",67,6b : sont les flux propres circulant au rotor de la machine. w : est la résistance des enroulements statoriques. 6 : est la résistance des enroulements rotoriques.

III.2.2.5.2.Equations des flux

L’expression du flux total à travers le bobinage statorique sera la suivante:

w" =w w" +Ew (w7 +wb ) +E 6" +EA 67 +EF 6b

L’écriture matricielle ci-dessous résume les trois équations de flux statorique:

Φw"7b =w"w7wb = w Ew EwEw w EwEw Ew w w"w7wb + E EA EFEF E EAEA EF E 6"676b

Où : Φv"7b :vecteur flux circulant au stator de la machine. w : Coefficient d’inductance propre d’un enroulement statorique. Ew : Coefficient d’inductance mutuelle entre deux bobinages statoriques. E,EA, EF : Les coefficients d’inductance mutuelle avec les trois bobinages rotoriques.

A partir de la figure (III.4) :

E = Ew6 cos EA = Ew6 cos ( − AF )EF = Ew6 cos ( − F ) Où : Ew6 : représente la valeur maximale des coefficients d’inductances mutuelle entre une phase

statorique et une phase rotorique.

On peut écrire :

(III.16)

(III.17)

(III.18)


Page 45

Φw = w w + w6 6Φ6 = 6 6 + w6 w Avec :

w= w Ew EwEw w EwEw Ew w 6= 6 E6 E6E6 6 E6E6 E6 6

w6 =Ew6 cos cos( − AF ) cos( − F )cos( − F ) cos cos( − AF )cos( − AF ) cos( − F ) cos

6w = (w6)

: désigne l’angle électrique entre une phase du rotor et la phase correspondante du stator et

vérifie : 9 = WΩ

Ω:étant la vitesse de la génératrice et = le nombre de paire de pôles.

Ces équations présentent deux inconvénients majeurs :

- un nombre important de variables couplées entre elles,

- la dépendance des matricesw66w, de l’angle de rotation.

Pour palier ce problème, on recherche des transformations linéaires des variables triphasées

de la machine en repère biphasé orthogonal fixe d par rapport au stator ou au rotor ou bien

au champ tournant. La transformation repose sur l'équivalence magnétique du system de

passer du repère triphasé de la machine réelle /Là un système dans le repère.

III.2.2.5.3.Transformation de PARK appliquée

La transformation de PARK est souvent définie par la matrice P normalisée.

=P V_

(III.19)

(III.20)

(III.21)

(III.22)

(III.23)


Page 46

Où:

P=[Z ¡ ¡( − [¢Z ) ¡( − £¢Z )− ¡¤¥() − ¡¤¥( − [¢Z ) − ¡¤¥( − £¢Z )\√[ \√[ \√[

Lorsque la valeur zéro est attribuée à l’angle, la transformation de Park porte le nom

detransformation de Concordia2et les axes d, seront désignés par§, P.

La figure III.5 montre alors la disposition des systèmes d'axe dans l'espace électrique.

Figure III.6: Repérage angulaire des systèmes d'axes dans l'espace électrique.

Avec :

¨= −\ \ On obtient finalement modèle de PARK qui constitue ainsi un modèle électrique dynamique

pour l'enroulement diphasé équivalent:

©ªª«ªª¬ v = Rvv + ®v9 − ¯V®vv = Rvv + ®v9 + ¯V®v = R + ®9 − (¯V − ¯)® = R + ®9 + (¯V − ¯)®

(III.24)

(III.25)


Page 47

Avec:

©ª«ª¬ ¯v = 9 v

¯ = 9 v = +

Il est plus intéressant d‘écrire les équations dans un référentiel lié soit au stator, soit au rotor,

ou au champ tournant, selon les objectifs de l’application. Dans chacun de ces nouveaux

référentiels, les équations de la machine deviennent plus simples que dans le référentiel

quelconque.

Le choix du référentiel se fait en fonction de la valeur de°" °"= 0 correspond au référentiel stationnaire. °"= °6correspond au référentiel lié au rotor. °" = °wcorrespond au référentiel lié au champ tournant.

Avec : °" : désigne la vitesse angulaire électrique du repère d, q. °w : Vitesse angulaire des axes ddans le repère statorique. °w : Vitesse angulaire des axes ddans le repère rotorique.

Dans le repère de Park, les flux et les courant sont liés par :

±Øwr³Ø6r³´= µ wM w6Mw6M 6M ¶ µ·wr³·6r³¶ Avec:

wM= w − Ew 0 00 w − Ew 00 0 w − Ew 6M= 6 − E6 0 00 6 − E6 00 0 6 − E6

w6M= F¸t¹ºA 0 00 F¸t¹ºA 00 0 F¸t¹ºA

(III.26)

(III.27)

(III.28)

(III.29)


Page 48

a"»: La valeur maximale des coefficients d‘inductances mutuelles stator - rotor.

III.2.2.5.4.Couple électromagnétique :

On obtient la puissance instantanée absorbée par la machine :

=a= (wrw³ − w³wr)°w+(6r6³ − 6³6r)°6

En exprimant les flux en fonction des courants à partir des équations et, on constate que:

(wrw³ − w³wr) = − (6r6³ − 6³6r)

Les deux expressions du couple électromagnétique sont données par les expressions

suivantes:

Soit en utilisant les grandeurs statoriques : 23a ==(wrw³ − w³wr)

Soit en utilisant les grandeurs du rotor :

23a ==(6r6³ − 6³6r)

III.2.2.5.5. Modèle complet de la chaîne de conversion éolienne :

La représentation du modèle de cette chaîne de conversion est illustrée sur la figure suivante :

v

Figure III.7 : Modèle de la chaîne de conversion éolienne fonctionnant à vitesse fixe.

III.2.2.5.6. Caractéristique de la turbine éolienne basée sur la machine asynchrone à

cage :

La caractéristique d’une turbine permet de déterminer la vitesse de rotation de la machine en

fonction des variables d’état du fluide de travail (pression, température, vitesse,…). Compte

tenu du caractère aléatoire du vent, une éolienne est condamnée à travailler en mode

transitoire sous l'action d‘un flux (le vent) échappant à toute commande ou prévision (variable

aléatoire) [8].

Turbine +

Multiplicateur

MAS

d-q

d-q

abc

Réseau

abc

(III.30)

(III.31)

(III.32)

(III.33)


Page 49

Par ailleurs, l'énergie disponible à l'entrée de la roue subit fatalement des dégradations en

cascades le long du parcours du fluide de travail. De ce fait, l‘estimation des potentialités

énergétiques éoliennes d‘une région ne peut se suffire des données exprimées par les atlas

sous forme de moyennes mensuelles ou annuelles. L'estimation des potentialités énergétiques

éoliennes d'une région nécessite donc la connaissance de la courbe de distribution des vitesses

du vent. Mais on ne pourra parler de potentialités utiles (sortie machine) que pour une

éolienne donnée.[36]

En effet, seule une partie de la puissance éolienne disponible sur un site donné, appelée

puissance utilisable est récupérée au niveau de l'axe de la machine (énergie mécanique). Pour

avoir la puissance électrique utile, il faut multiplier la puissance mécanique par le rendement

de la génératrice. [8]

Après l'exécution du programme sous environnement Matlab/Simulink, la caractéristique de

la turbine éolienne pour des différentes vitesses du vent est donnée par lafigure (III.7) :

Figure III.8 : Caractéristiques mécaniques de la turbine éolienne basée sur la MAS à cage.

On constate que si la machine à cage est capable de produire de l'énergie pour les très faibles

vitesses de vent, cette énergie est écrêtée à la puissance nominale lorsque la machine atteint

une vitesse très légèrement supérieure au synchronisme [3].

III.2.3. Modélisation du STATCOM :

III.2.3.1. Modèle mathématique simplifié :

Pour le modèle simplifié du STATCOM, on suppose que le circuit continu consiste en une

source de tension constante, et le circuit DC ne sera pas inclus dans ce modèle. Le schéma

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1 pu

Max. power at base wind speed (9 m/s) and beta = 0 deg

4 m/s

5 m/s

6 m/s

7 m/s

8 m/s

9 m/s

10 m/s

Turbine speed (pu of nominal generator speed)

Turb

ine

outp

ut p

ower

(pu

of n

omin

al m

echa

nica

l pow

er) Turbine Power Characteristics (Pitch angle beta = 0 deg)


Page 50

équivalent de ce dispositif donc est une source de tension sinusoïdale connectée à un nœud du

réseau par l'inductance du transformateur de couplage. Le circuit contient aussi une résistance

en série pour représenter les pertes ohmiques du transformateur et les pertes dans les

interrupteurs de l'onduleur.

Le courant du STATCOM dépend de la différence entre la tension du système (tension au

nœud) et la tension ajustable du STATCOM.

Où les grandeurs sont en triphasé :

%= ½%"%7%b ¾; %w¿= ½%"w¿%7w¿%bw¿¾ et ·w¿= ½·"w¿·7w¿·bw¿¾ Pour simplifier ces équations, on passe au repère orthogonal fixe (§, P) en multipliant

l'équation (3.34) par la matrice de la transformation de CLARK suivante :

ÀÁÂ =AF 1 ÃA ÃA0 √FA −A A A

√FA

%- %w¿ =w¿·w¿+w¿ rÄÅÆr!

On passe au repère tournant (d, ), le référentiel du synchronisme, en multipliant toutes les

grandeurs par le phaseurÇÈ avec rÈr! =° , la pulsation des grandeurs en question,

Donc:

É(r,³) =É(Á,Â)ÇÃÈ et inversementÉ(r,³) = É(Á,Â)ÇÈ

En appliquant cette écriture sur l'équation (III.35) on aura :

% (r,³)ÇÈ − %w¿(r,³)ÇÈ = w¿ ·w¿(r,³)ÇÈ + w¿ rr!(·w¿(r,³)ÇÈ)

(III.34)

(III.35)

(III.36)


Page 51

Figure III.9 :Passage de repère (§, P) vers le repère (d, ).

Après simplification de calcul en aboutit aux équations dynamiques du STATCOM dans le

repère (d, ) suivant :

%r − %w¿r =w¿·w¿r + w¿ rÄÅÆÊr! − w¿° ·?¿³

%³ − %w¿³ =w¿·w¿³ + w¿ rÄÅÆËr! − w¿° ·?¿r

Sous forme matricielle on écrit le système d‘état du STATCOM comme suit :

rr! µ·w¿r·w¿³¶ = ½ÃÌÅÆÍÅÆ °−° ÃÌÅÆÍÅÆ¾ µ·w¿r·w¿³¶ +

ÍÅÆ µ%r − %w¿r%³ − %w¿³ ¶ Où le vecteurµ − vÎ − vÎ¶représente le vecteur de commande du système.

III.2.3.2. Modèle mathématique en considérant le circuit DC :

Le modèle simplifié est dérivé sous l'hypothèse d'aucune variation de la tension continue Érbdurant les petits échanges de l'énergie active entre le réseau et la source DC. Lorsque la

capacité de la source DC est relativement petite, le modèle mathématique doit être amélioré

l'équation du circuit continu.

On suppose que :

vÎ(,) = vÎ +vÎ = T ¡ + ¡¤¥

¯ Ï

Ð

Ñ

(III.37)

(III.38)

(III.39)

(III.40)


Page 52

J : étant le module de la tension appliqué dépend directement de la tension continue Érb et

peut être exprimé par :

J = EÉrb

E : est l'indice de modulation il ne dépond que du type de l'onduleur.

En substituant les équations (III.40) et (III.41) dans les équations (III.37) et (III.38), on aboutit

aux équations : %r − EÉrb cos = w¿·w¿r + w¿ rÄÅÆÊr! − w¿ °·w¿³

%³ − EÉrb sin = w¿·w¿³ + w¿ rÄÅÆËr! − w¿ °·w¿r

La puissance circulante entre le condensateur et l‘onduleur de tension peut être décrite par

l'équation (III.44) et en même temps vérifié l'égalité qui suit (III.45) :

Òw¿ = FA ( %w¿r·w¿r + %w¿³·w¿³)

Érb ·rb = 32 ( %w¿r·w¿r + %w¿³·w¿³)

Le courant _ est défini comme étant la somme du courant capacitif _et le courant résistif _ dans la branche de la résistanceR_.

·rb = 2 rÔÊur! + ÔÊuÌu

De ces équations (III.40), (III.41), (III.45) et (III.46) on peut tirer l’équation dynamique du

coté continue du STATCOM suivante :

L rÔÊur! = FA E (·w¿r cos − ·w¿³ sin ) − ÔÊuÌÕ

(III.41)

(III.42)

(III.43)

(III.44)

(III.45)

(III.46)

(III.47)


Page 53

Les équations (III.42),(III.43)et (III.47) forme le système d'équations d'état du STATCOM en

tenant compte des variations de la tension du circuit continu qu4on écrit sous forme

matricielle suivante:

rr! ½·w¿r·w¿³Érb¾=

− ÌÍÅÆ ° − aÍÅÆ cos

−° − ÌÍÅÆaÍÅÆ sin

FA ab cos − FA ab sin ÃÌu b ½·w¿r·w¿³Érb ¾ ÍÅÆ

ÍÅÆ 00 ÍÅÆ0 0 µ%r%³ ¶

On peut observer qu’il ya deux paramètres de commande dans ce système avec trois

paramètres d'état à contrôler et uniquement deux grandeurs peuvent être commandées

indépendamment. Ce système, qui doit être linéaires autour d'un point de fonctionnement,

sera de la forme suivante :

rr! ½·w¿r·w¿³Érb ¾=

− ÌÍÅÆ ° − aÍÅÆ cos Ö−° − ÌÍÅÆ aÍÅÆ sin ÖFA ab cos Ö − FA ab sin Ö ÃÌu b

½·w¿r·w¿³Érb ¾ +

ÍÅÆ ÍÅÆ 0 aÍÅÆ ÉrbÖ sin Ö0 ÍÅÆ aÍÅÆ ÉrbÖ cos Ö0 0 − AF ab (·w¿ sin Ö + ·w¿ cos Ö

%r%³

Le courant réactif est commandé indépendamment pour contrôler le flux de puissance réactive

et les autres paramètres sont utilisés pour maintenir la tension continue Ð_constante.

III.3.Conclusion : Dans ce chapitre, on a expliqué les modèles mathématiques des différents composants de la

turbine éolienne, Et par l’utilisation de la transformation de Park pour la modélisation de la

partie électrique de la chaine de conversion éolien.

Nous avons aussi donné un modèle du dispositif FACTS qui est le STATCOM comme un

élément essentiel pour la compensation de l‘énergie réactive lorsque le système subit un

défaut avec son système de commande à travers ces équations correspondantes comme la

régulation de la tension par compensation de l‘énergie réactive.

(III.48)

(III.49)

Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats

Page 54

IV.1 Introduction :

L’intégration des fermes éoliennes au réseau électrique conduit à l’apparition des phénomènes

indésirables au fonctionnement du SEE, les fluctuations de la tension et de la fréquence. Le

développement rapide des éléments d’électronique de puissance fait un compromis entre

l’éolienne et le SEE [8].

L’étude de la stabilité transitoire consiste à analyser la réponse des machines à la

suited‘une forte perturbation en diverses positions du système électrique. Pour cela,dans le

présent de ce chapitre, nous étudions le comportement d’une machine asynchrone triphasée à

cage d'écureuil comme une génératrice dans les systèmes éoliens à vitesse fixe.L’avantage de

cette génératrice est d’être très fiable et relativement peu onéreuse par rapport aux d'autres

types des génératrices. Elle a également quelques caractéristiques mécaniques qui la rendent

très appropriée pour la conversion de l'énergie éolienne (glissement de la génératrice ainsi

qu'une certaine capacité de surcharge). La simulation sont effectuées sur réseaux électriques

tests, avec l’intégration de parc éolien, avec et sans intégrations des dispositifs FACTS

(STATCOM). Les simulations numériques, les résultats de calculs ainsi que les

représentations graphiques ont été obtenus par MATLAB/ Simulink.

IV.2Conditions de raccordement des éoliennes au SEE :

Lorsqu’une éolienne produit l’électricité, cette énergie est transportée aux clients via des

réseaux électriques. Notamment, selon la quantité d’énergie produite par la ferme éolienne et

adopter les conditions de raccordement. Il est donc souvent nécessaire de disposer sur le site

de production des transformateurs de puissance élévateur de tension permette de se raccorder

aux réseaux électrique [8].

Cependant, le raccordement aux réseaux doit prendre en compte les conditions de couplage,

qui se résument comme suit :

- L'égalité de valeurs maximales de tension, donc de leurs valeurs efficaces.

- L'égalité de fréquences.

- Un déphasage nul entre elles.

- En triphasé, même succession des phases [8 ; 3].

IV.3Stabilité d’une génératrice asynchrone couplée au réseau électrique :

Lors d’une génératrice à cage est fonctionnée normal, elle a un petit glissement et une petite

variation de la vitesse. La puissance absorbée par cette machine est aussi petite. Si la charge

et la puissance générée sont importantes, alors le glissement et la puissance réactive s’élevé.

Dans les fermes éoliennes la puissance réactive soit compensée par les batteries de

condensateurs. Cependant, ce système ne remplir pas la bonne compensation au cours de

fonctionnement des conditions de stabilité.


Page 55

Au fonctionnement ordinaire, le couple électrique et le couple mécanique sont égaux

et la génératrice fonctionne aux conditions de stabilité. Quand un défaut apparu, une chute de

tension et une réduction de couple électrique de la génératrice qui fait un déséquilibre entre le

couple mécanique et électrique car le couple mécanique est fixé dans ce cas, cela nous

conduit à l’augmentation du glissement. Quand le défaut s’élimine la machine revient à son

état de fonctionnements normal [8].

IV.4 Description du réseau étudié :

Le système étudié en premier lieu est un réseau simple avec une ligne de transmission de 25

via une source de tension de 120 .

Les éoliennes sont raccordées via un transformateur de 575 V /25Kv et une ligne de 1km

Ce système comporte :

- Une ferme composée de deux éoliennes de 1.5.

- des générateurs asynchrones (machine asynchrone à cage d’écureuil) à vitesses fixes

commandée par un angle de calage (pitch angle).

- le STATCOM et SVC et connectés au jeu de barre3assuré le reste de lacompensation

réactive.

Tous les paramètres de ce réseau sont détaillés dans l‘annexe (A.1)

Tableau IV-1.Paramètres de bases du système étudié :

25

9

60

L’architecture de réseau étudie par l’auteur de l’article avec la ferme éolienne est illustrée

dans la figureIV-1 :

Chapitre IV

IV.4.1Résultats de Simulation

Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d‘essayer d'intégrer de 9MW

d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de

réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive.

sont présentés après une durée de simulation de 20s.

différents modèles comme suivants:


La Figure IV-1 : réseau test étudié.

Résultats de Simulation :


d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de

réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive.

après une durée de simulation de 20s.La simulation est exécutée aux 4

différents modèles comme suivants:

Simulation et Interprétation des résultats

Page 56


d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de 400 dans le

réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive. les résultats

La simulation est exécutée aux 4


Page 57

IV.4.1.1 Sans défaut et sans compensation :

Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d’essayer d'intégrer de 9 MW

d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs (PFC) dans le réseau

de distribution.

Dans les figures représenté ci-dessous, en constate une accélération de vitesse rotorique du

ferme 1 à = 13.41, comme montré dans la figure (IV-2(c)). Alors la première ferme

éolienne se déconnecte à cause de système de protection et l’insuffisance de l’énergie réactive

fournie par le PFC, comme montre aux figures (IV-2 ( a, b)) respectivement. La puissance

active et réactive au jeu de barre 3 se baisses de 9 à 6 MW et de 4.16 à 2 Kvar respectivement

comme montré dans les figures (IV-2 (d, e)).

a) La puissance active de la ferme

éolienne b) La puissance réactive de la ferme

éolienne

c) La vitesse rotorique de ferme éolienne

(m/s) d) La puissance active au jeu de barre 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

le temps (s)

la p

uiss

ance

act

ive

de w

ind

turb

ine

(Mw

)

ferme1ferme2ferme3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

le temps (s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e d

e w

ind

turb

ine

(Mva

r)

ferme1ferme2ferme3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

le temps (s)

la v

itess

e ro

tori

que

(m

/s)

ferme1ferme2ferme3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2

4

6

8

10

12

le temps (s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e de

jeu

de b

arre

3


Page 58

e) La puissance active au jeu de barre 3

La Figure IV-2 : Résultats de simulation avec la compensation (PFC) et sans défaut.

IV.4.1.2 Avec défaut triphasé et en absence de STATCOM : Le but de cette simulation est

de vérifier la capacité de compensation de puissance réactive (PSF). Considérant un défaut

triphasé à la troisième ferme éolienne à l’instant = 15 de duré de0.09. Les résultats

illustrés après la simulation sont comme suit

a) Puissance active de trois fermes

b) Puissance réactive de trois fermes

c) Vitesse rotorique de trois fermes d) Tension au jeu de barre 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-2

0

2

4

6

8

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de je

u de

bar

re 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

le temps (s)

la p

uiss

ance

act

ive

de

tro

is f

erm

es (

Kw

)

ferme1ferme2ferme3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-3

-2

-1

0

1

2

3

4

le temps (s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e d

e w

ind

tur

bin

e (K

var)

ferme1ferme2ferme3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

le temps (s)

la v

itess

e ro

tori

que

de

troi

s fe

rmes

(m

/s)

ferme1ferme2ferme3

14.8 14.9 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

0.4

0.6

0.8

1

1.2

le temps (s)

la te

nsio

n d

e je

u d

e b

arre

3

VaVbVc

Chapitre IV

e) Puissance active de jeu de barre

La Figure IV-3: Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à

D’après les résultats de simulation montré dans les figures (IV

ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.

l’insuffisance de l’énergie réactive fournie par le PFC et la troisième ferme éolienne se

déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV

c)). La puissance active et réactive au jeu de barre 3 se b

montré dans la figure (IV

s’accélèrent comme montré sur la figure (IV

de jeu de barre 3 à t = 15s.et en durée t

continuation de la tension comme montré dans la Figure (IV

IV.4.1.3 En présence de STATCOM avec un défaut triphasé

Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM

connecté au réseau de distribution

0 2 4 6 8 10-4

-2

0

2

4

6

8

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de je

u de

bar

re 3


e) Puissance active de jeu de barre 3

f) Puissance réactive de jeu de barre

Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à t=15s.

D’après les résultats de simulation montré dans les figures (IV-3), on constate que la première

ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.


déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV

c)). La puissance active et réactive au jeu de barre 3 se baisse de 9Mw à 3 M

montré dans la figure (IV-3 (e)). La vitesse rotorique de première et de troisième ferme

s’accélèrent comme montré sur la figure (IV-3(c)), et on remarque une perturbation de tension

de jeu de barre 3 à t = 15s.et en durée t = 15s au t =15.1s il y a une perturbation, puis la

continuation de la tension comme montré dans la Figure (IV-3(d)).

En présence de STATCOM avec un défaut triphasé :

Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM

necté au réseau de distribution est motionné dans la figure (IV-4).

12 14 16 18 20le temps(s)

0 2 4 6-2

0

2

4

6

8

10

12

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e de

jeu

de b

arre

3


Page 59

f) Puissance réactive de jeu de barre 3

Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à

3), on constate que la première

ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.41s à cause de


déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV-3 (a, b,

aisse de 9Mw à 3 MW. Comme on a

e)). La vitesse rotorique de première et de troisième ferme

3(c)), et on remarque une perturbation de tension

= 15s au t =15.1s il y a une perturbation, puis la

Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM est

8 10 12 14 16 18 20le temps (s)


Page 60

La Figure IV-4 : Système avec la présence de STATCOM.

Les résultats de simulation de système de puissance en intégrant un STATCOM sont illustrés

dans les figures (IV-5).

a) La puissance active des trois fermes

éoliennes. b) La puissance réactive des trois fermes

éoliennes.

0 5 10 15 200

1

2

3

4

le temps(s)la p

uiss

ance

act

ive

win

d tu

rbin

e (M

W)

ferme1ferme2ferme3

0 5 10 15 20-3

-2

-1

0

1

2

3

le temps(s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e w

ind

turb

ine

(MV

Ar)

ferme1ferme2ferme3


Page 61

c) La vitesse rotorique des trois fermes éoliennes.

d) La tension de jeu de barre 3.

e) La puissance active de jeu de barre 3. f) La puissance réactive de jeu de barre 3.

FigureIV-5 : Résultats de simulations avec compensation(STATCOM) en présence de défaut triphasé t= 15s.

D’après les résultats de simulation précédentes, STATCOM est installé au jeu de barre 3.Les

figures (IV-5 (e, f)), montrent la puissance active et réactive au jeu de barre 3, on peut voir

dans les deux courbes de puissance active et réactive que l’éolienne fonctionne comme son

état initiale après le défaut.

Les figures (IV-5 (a, b, c)), montrent la puissance active et réactive et vitesse rotorique pour

chaque ferme éolienne, selon les résultats de la simulation les courbes présentées montre

l’importance de la compensation lorsque le parc éolien récupère son fonctionnement après le

défaut et prend sa stabilité avec une certaine oscillation par l’intervention de STATCOM

aujeu de barre 3.

0 5 10 15 201.002

1.003

1.004

1.005

1.006

1.007

le temps(s)

la v

itess

e ro

tori

que

win

d tu

rbin

e (m

/s)

ferme1ferme2ferme3

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5

0

5

10

15

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de

jeu

de

barr

e 3

p-B3

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5

0

5

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e de

jeu

de b

arre

3

Q-B 3

14.9 14.95 15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.40

0.5

1

1.5

2

le temps(s)

les

ten

sion

de

jeu

de

barr

3

VaVbVc

Chapitre IV

IV.4.1.4 En présence de SVC avec un défaut triphasé

Le réseau électrique compo

La Figure IV

a) La puissance active des trois fermes éoliennes

0 5 10-1

0

1

2

3

4

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de

jeu

de

bar

re 3


En présence de SVC avec un défaut triphasé :

Le réseau électrique comporte un SVC comme motionné à la figure (IV-

La Figure IV -6 : Système avec la présence de SVC.

La puissance active des trois fermes éoliennes

b) La puissance réactive des trois fermes éoliennes.

10 15 20le temps(s)

farme1ferme2ferme3

0 5-4

-2

0

2

4

la p

uis

sanc

e ré

activ

e d

e je

u d

e b

arre

3


Page 62

-6).

avec la présence de SVC.

La puissance réactive des trois fermes éoliennes.

10 15 20le temps(s)

ferme 1ferme2ferme3


Page 63

c) La vitesse rotorique des trois fermes éoliennes.

d) La tension de jeu de barre 3.

e) La puissance active de jeu de barre 3. f) La puissance réactive de jeu de barre

3.

D’après les résultats de simulation nous remarquons aux figures (IV-7(a,b)) que les

puissances actives et réactives revient à son état de stabilité après le défaut avec quelques

oscillations à l’instant d’élimination de défaut, la figure (IV-7(d)) montre la tension au jeu de

barre auquel l’éolienne se connecte qui est aussi revient à son état de fonctionnement normal

à cause de la présence de SVC même aussi pour les puissance actives et réactives de jeu de

barre 3.

IV.4.1.5 Comparaison entre STATCOM et SVC :

L’augmentation de la capacité de SVC de 3MVAr à 4 MVAr et la capacité de STATCOM de

2 MVAr à 3.5 MVAr.

D’après les résultats de simulation. On constate que la ferme éolienne fonctionne à son régime

normal avec une apparition des petites perturbations au moment de défaut mais réagir après le

défaut cela montre l’efficacité de STATCOM et de SVC, sachant que le STATCOM est plus

efficace que le SVC,

La figure(IV-8)montre les courbes de système pour voir la différence entre STATCOM et

SVC.

0 5 10 15 201

1.005

1.01

1.015

1.02

1.025

le temps(s)

la v

itess

e ro

toriq

ue w

ind

turb

ine

(m/s

)

ferme1ferme2ferme3

14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 160.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

le temps(s)

la te

nsio

n de

jeu

de b

arre

3

VaVbVc

10 11 12 13 14 15 16 17 18-5

0

5

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de je

u de

bar

r 3

P-B3

10 11 12 13 14 15 16-5

0

5

10

le temps(s)la

pui

ssan

ce r

éact

ive

de je

u de

bar

re 3

Q-B3


Page 64

a.1) La puissance active des trois fermes

éoliennes en présence de STATCOM.

a.2) La puissance active des trois fermes

éoliennes en présence de SVC.

b.1) la puissance réactive des trois fermes

éoliennes en présence de STATCOM.

b.2) la puissance réactive des trois fermes

éoliennes en présence de SVC.

c.1) la vitesse rotorique des trois ferme

éolienne en présence de STATCOM.

c.2) la vitesse rotorique des trois ferme

éolienne en présence de SVC.

0 5 10 15 200

1

2

3

4

le temps(s)la p

uis

san

ce a

ctiv

e w

ind

tu

rbin

e (M

W)

ferme1ferme2ferme3

0 5 10 15 20-1

0

1

2

3

4

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de

jeu

de b

arre

3

farme1ferme2ferme3

0 5 10 15 20-3

-2

-1

0

1

2

3

le temps(s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e w

ind

turb

ine

(MV

Ar)

ferme1ferme2ferme3

0 5 10 15 20-4

-2

0

2

4

le temps(s)

la p

uis

san

ce r

éact

ive

de

jeu

de

bar

re 3

ferme 1ferme2ferme3

0 5 10 15 201.002

1.003

1.004

1.005

1.006

1.007

le temps(s)

la v

itess

e ro

tori

que

win

d tu

rbin

e (m

/s)

ferme1ferme2ferme3

0 5 10 15 201

1.005

1.01

1.015

1.02

1.025

le temps(s)

la v

itess

e ro

tori

que

win

d tu

rbin

e (m

/s)

ferme1ferme2ferme3


Page 65

10 11 12 13 14 15 16 17 18-5

0

5

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de je

u de

bar

r 3

P-B3

d.1) la tension de jeu de barre 3 en présence

de STATCOM.

d.2) la tension de jeu de barre 3 en présence

de SVC.

e.1) la puissance active de jeu de barre 3 en

présence de STATCOM.

e.2) la puissance active de jeu de barre 3 en

présence de SVC.

f.1) la puissance réactive de jeu de barre 3 en

présence de SATCOM.

f.2) la puissance réactive de jeu de barre 3 en

présence de SVC.

Figure (IV-8) : Simulation de compensation de STATCOM et SVC.

14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 160.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

le temps(s)

la te

nsio

n de

jeu

de b

arre

3

VaVbVc

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5

0

5

10

15

le temps(s)

la p

uiss

ance

act

ive

de

jeu

de

bar

re 3

p-B3

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5

0

5

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e de

jeu

de b

arre

3

Q-B 3

14.9 14.95 15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.40

0.5

1

1.5

2

le temps(s)

les

ten

sio

n d

e je

u d

e b

arr

3

VaVbVc

10 11 12 13 14 15 16-5

0

5

10

le temps(s)

la p

uiss

ance

réa

ctiv

e de

jeu

de b

arre

3

Q-B3


Page 66

IV.5 Effets du STATCOM et SVC sur le temps critique :

Dans les systèmes électriques, le temps critique est le temps dans lequel le système ne peut

pas revenir à l’état stable, on va calculée le temps critique par la simulation et avec la

variation dans la durée de défaut et la valeur de puissance réactive de STATCOM et SVC. Le

système et déconnecté si la durée de défaut dépasse le temps critique, donc le système de

protection pour être efficaces doit satisfaire les 4 conditions suivant :

- Rapidité d’élimination des défauts ;

- Fiabilité des protections ;

- Sensibilité ;

- Sélectivité d’élimination des défauts [8].

Tableau IV.2. Représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.

Durée de défaut (sec) 0.01 0.02 0.05 0.06 0.07 0.08 0.089 Valeur de SVC Q (MVAr) 10 11 14 16 18 20 22 Valeur de STATCOM Q (MVAr) 9 12 13 15 16 17 22

La Figure IV-9 : Temps critique pour plusieurs valeurs de STATCOM et SVC.

IV.6 Conclusion :

Ce chapitre a fait l’objet d’une étude du fonctionnement d’un système éolien basé sur la

machine asynchrone à cage fonctionnant à vitesse fixe. Ce système de production est intégré

dans le réseau électrique. Des simulations réalisées pour voir comment les fermes éoliennes

réagissent dans les différents états du système (permanent, transitoire) en présence de défaut


Page 67

symétrique avec des dispositifs FACTS tels que le STATCOM et SVC. Les résultats de

simulation dans le premier cas montrent que la compensation de puissance réactive par le

STATCOM ou SVC rend possible l'intégration de la ferme éolienne dans un réseau de

distribution.

Le rôle des dispositifs FACTS tels que SVC et STATCOM dans l'amélioration de la

performance du système est spécifié. L'amélioration de la stabilité, la régulation de tension,

augmentation de la transmission de puissance et surtout en tant que fournisseur d'énergie

réactive commandable pour accélérer la reprise de tension après défaut occurrence, sont

considérés comme des facteurs d'amélioration. Les résultats de la simulation montrent une

meilleure performance de la stabilité d'un parc éolien de la rémunération par rapport à la

rémunération STATCOM et SVC pendant l’apparition de défaut, mais la remarque que le

STATCOM est plus efficace que le SVC.

CONCLUSIONS GENERALES

Master 2015 P.C .1

Conclusion générale

L'éolienne constitue un moyen écologique de production d'énergie.Il existe de nombreux

types d'éoliennes ; et ce dû à la diversité des demandes. En effet, elles peuvent être utilisées

par des particuliers. Les éoliennes utilisées dans ce cas sont des petites éoliennes domestiques

isolées. Dans le réseau électrique d‘un pays, des éoliennes de grande taille dites fermes (ou

parcs) éoliennes formant une centrale d'aérogénérateurs. problématiqueabordée dans ce

mémoire et étudier la stabilité de la puissance dans un réseau électrique. cette étude constitue

un sujet important pour la planification et l'exploitation des réseaux électriques.

A la lumière de notre travailnous avons présentédans un premier chapitre e rappelle les

concepts fondamentaux de la chaîne de conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique.

Au regard de ce chapitre, il est apparu que la production d'énergie électrique par éoliennes se

divise en deux catégories, celle fonctionnant à vitesse fixe et l’autre à vitesse variable.

Une fois que vous parlez des turbines nous parlons de stabilité, Pour cela, nous avons au

deuxième chapitre fait l’objet d’une généralité sur stabilité de réseau électrique et les moyens

d’amélioration de la stabilité transitoire du SEE.La compensation classique (transformateur à

prise réglable, les condensateurs fixe et les inductances…etc), et modern FACTS

(STATCOM, SVC, SSSC, UPFC...etc), avec leurs structures et principe de fonctionnement.

Face à ces besoins, nous avons réalisé uneétude la modélisation de la chaîne de conversion

éolienne, partie mécanique puis la partie électrique composant de la machine asynchrone

à cage et modélisé le réseau test.

La partie simulation de ce mémoire est consacrée à étude de la stabilité du ferme éolienne

connecté à un réseau électrique en présence du système FACTS et étude de sa stabilité

transitoire lors D‘un court-circuit affectant ces réseaux. Dans ce cas, le modèle proposé

démontre l’impact de l'intégration des fermes éoliennes dans le réseau électrique et les

moyens de compensation permettant d’améliorer la stabilité transitoire dans un système

électrique.

Enfin, nous pouvons dire que les systèmes FACTS découlent d’un concept qui a

tendance à élargir son champ d’intervention. Il nous semble prioritaire de poursuivre une

étude approfondie sur les modes et stratégies des réseaux de transport d’énergie électrique.

ANNEXES

P A.1

Annexe A. paramètre de l’éolienne :

Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne :

L’angle de calage β 0° La vitesse du vent 9(m/s)

5 25

L’angle de calage maximal 45°

Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne :

La puissance nominale 1.5 MVA La tension entre phase 575V

La fréquence 60 HZ La résistance et inductance statorique 0.004843 (Pu), 0.1248 (Pu)

Résistance et inductance rotorique 0.004377(Pu), 0.1791 (Pu) Inductance mutuelle 6.77 (Pu)

Nombre de pair de pôles 3

Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne :

La puissance nominale 4MVA La fréquence 60 HZ

Le rapport de tension/ 25 KV/575 MVA La résistance et l’inductance primaire 0.1362 Ω, 0.010362

La résistance et l’inductance secondaire 6.88e-5 Ω, 5.4813 e-6 H La résistance de magnétisation 78125 Ω L’inductance de magnétisation inf

Tableau A.4. Paramètres de la ligne :

La fréquence 60 HZ La résistance 0.1153 Ω/km L’inductance 1.05e-3 H/km

La capacitance 11.33e-009 F/km

Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique :

La puissance nominale 47 MVA La fréquence 60 HZ

Le rapport de tension/ 120 KV/ 25 KV La résistance et l’inductance primaire 0.81702 Ω, 0.0065016 H

La résistance et l’inductance secondaire 0.10638 Ω, 0.0084657 H La résistance de magnétisation 153.19 e3 Ω L’inductance de magnétisation 406.35 H

ANNEXES

P B.2

Annexe B. Paramètre du STATCOM et SVC :

Tableau B.1. Paramètres du STATCOM :

la tension nominale 25(KV) la fréquence nominale 60 (Hz) La puissance apparente 3(MVA)

La résistance R 0.22/30 (Pu) L’inductance L 0.22(Pu)

la tension continue dc (V) 4000/10 la capacitance (µF) 1.079e-15

Tableau B.2. Paramètres de l’SVC :

La tension nominale 25 (KV) la fréquence nominale 60(Hz) La puissance apparente 3(MVA) Les limites du réactive [-1 3]

Références bibliographiques

Page 1

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:ملخص

مصادر الطاقات المتجددة التي تمكننا من انتاج الطاقة الكھربائية، تؤدي الى حل مشاكل توزيع الكھرباء في المناطق

وضياع التوازن بين ا=نتاج على استقرار الشبكات الكھربائية ومن خصائص الرياح تكمن في التغيير فإنھا تأثر. المعزولة

التكامل بين مزارع الرياح على استقرار الشبكة في تأثيرمن ھذا العمل ھو دراسة والھدف.الكھربائية واCستھBك للطاقة

عند ھو واحد من مكوناته قادر على التعويض عن النظام الكھربائي STATCOMمثل المعوض FACTSأنظمة وجود

اCستقرارلتحسين STATCOMأظھرت فعالية Simulink/Matlabبيئة راة باستخدام المجالمحاكاة .للخطأالتعرض

.في مزرعة التوصيل بشبكة الكھرباء في وجود الخطأ عابر

.STATCOM ،SVCالرياح،طاقة مزرعة مولدات ،تنميطشبكات كھربائية، اCستقرار العابر، :كلمات مفتاحية

Résumé :

Les sources d'énergie renouvelables, ce qui nous permet de produire l'énergie électrique,

conduire à une solution aux problèmes de distribution d'électricité dans les régions isolées. Il

se trouve dans les caractéristiques du vent de changement qu'ils ont affecté la stabilité des

réseaux électriques et la perte de l'équilibre entre la production et la consommation d'énergie

électrique.Le but de ce travail est d'étudier l'impact de l'intégration des parcs éoliens sur la

stabilité du réseau en présence de systèmes FACTS tels que STATCOM compensateur est

l’un de ses éléments qui est apte à compenser un réseau électrique lorsqu’il est sujet à un

défaut. Des simulations réalisées sous environnementSimulink/ MATLAB montré l'efficacité

de STATCOMpour l’amélioration de la stabilité transitoire de fermes éoliennes connectées à

un réseau électriques.

Mots Clés :Réseaux Electriques, Stabilité transitoire, Simulation, ferme éolienne,

STATCOM, SVC.

Abstract :

Renewableenergy, whichallows us to produceelectric power, lead to a solution to

electricityproblems in remote areas. It lies in the characteristics of the wind of change

thataffected the stability of power systems and the loss of the balance between production and

consumption of electricenergy،The purpose of thisworkis to study the impact of the

integration of windfarms on gridstability in the presence of FACTS systemssuch as

STATCOM compensatoris one of the elementsthatis capable of compensating for an electrical

network whenitissubject to a fault. Simulations in Simulink environment / .Matlab showed the

effectiveness of STATCOM for improvingtransientstability of windfarmsconnected to an

electrical network.

Key Words:Power system,transientsstability,Simulation,Wind Farm, STATCOM, SVC.

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