These Frederic POITIERS

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UNIVERSITE DE NANTES

ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LINFORMATION ET DES MATERIAUX Anne : 2003 Thse de Doctorat de lUniversit de Nantes Spcialit : Electronique et Gnie Electriquetel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Prsente et soutenue publiquement par

Frdric POITIERSLe 19 dcembre 2003 l'Ecole polytechnique de l'Universit de Nantes

ETUDE ET COMMANDE DE GENERATRICES ASYNCHRONES POUR L'UTILISATION DE L'ENERGIE EOLIENNE-Machine asynchrone cage autonome -Machine asynchrone double alimentation relie au rseauJury Prsident Rapporteurs : M. Bernard MULTON : M. Seddik BACHA M. Xavier ROBOAM Examinateurs : M. Ren LE DOEUFF M. Mohamed MACHMOUM M. Mohamed El Hadi ZAIM Professeur l'ENS Cachan antenne de Bretagne SATIE Bruz Professeur l'IUT de Grenoble LEG Grenoble Charg de recherches au CNRS INPT LEEI Toulouse Professeur l'EPUN GE44/LARGE Saint-Nazaire Matre de confrences l'EPUN - GE44/LARGE Saint-Nazaire Professeur l'EPUN GE44/LARGE Saint-Nazaire

Directeur de Thse : Pr. Ren LE DOEUFF Laboratoire : GE44/LARGE bd de l'Universit BP 406 44600 Saint-Nazaire Co-encadrant : M. Mohamed MACHMOUM Laboratoire : GE44/LARGE Composante de rattachement du directeur de thse : Ecole Polytechnique de l'Universit de Nantes N ED 0366-125

tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

UNIVERSITE DE NANTES

ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LINFORMATION ET DES MATERIAUX Anne : 2003 Thse de Doctorat de lUniversit de Nantes Spcialit : Electronique et Gnie Electriquetel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Prsente et soutenue publiquement par

Frdric POITIERSLe 19 dcembre 2003 l'Ecole polytechnique de l'Universit de Nantes

ETUDE ET COMMANDE DE GENERATRICES ASYNCHRONES POUR L'UTILISATION DE L'ENERGIE EOLIENNE-Machine asynchrone cage autonome -Machine asynchrone double alimentation relie au rseauJury Prsident Rapporteurs : M. Bernard MULTON : M. Seddik BACHA M. Xavier ROBOAM Examinateurs : M. Ren LE DOEUFF M. Mohamed MACHMOUM M. Mohamed El Hadi ZAIM Professeur l'ENS Cachan antenne de Bretagne SATIE Bruz Professeur l'IUT de Grenoble LEG Grenoble Charg de recherches au CNRS INPT LEEI Toulouse Professeur l'EPUN GE44/LARGE Saint-Nazaire Matre de confrences l'EPUN - GE44/LARGE Saint-Nazaire Professeur l'EPUN GE44/LARGE Saint-Nazaire

Directeur de Thse : Pr. Ren LE DOEUFF Laboratoire : GE44/LARGE bd de l'Universit BP 406 44600 Saint-Nazaire Co-encadrant : M. Mohamed MACHMOUM Laboratoire : GE44/LARGE Composante de rattachement du directeur de thse : Ecole Polytechnique de l'Universit de Nantes N ED 0366-125

Avant-propos

Avant-propos

C

e document prsente l'ensemble des travaux effectus durant ma thse de doctorat au sein du Ple Atlantique de Gnie Electrique dirig par le Professeur Ren LE DOEUFF. Cette thse est consacre l'utilisation des machines asynchrones dans les systmes oliens. A ce titre, je tiens remercier l'ensemble des parties ayant contribu au financement de ces travaux :

l'Agence de l'Environnement et la Matrise de l'Energie, le Conseil Rgional des Pays de la Loire et l'entreprise Leroy-Somer. Mes remerciements vont galement aux membres du jury qui ont accept d'valuer ces travaux et ce document : tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Messieurs Seddik BACHA, professeur l'Institut Universitaire de Technologie de Grenoble, et Xavier ROBOAM, charg de recherches au Centre National de la Recherche Scientifique Toulouse, pour avoir accept d'tre les rapporteurs de ce mmoire. Monsieur Bernard MULTON, Professeur l'Ecole Nationale Suprieure de Cachan, antenne de Bretagne, pour avoir prsid ce jury. Monsieur Ren LE DOEUFF, Professeur au dpartement Gnie Electrique de l'Ecole Polytechnique de l'Universit de Nantes, pour avoir dirig et orient mes travaux. Monsieur Mohamed MACHMOUM, Matre de confrences au dpartement Gnie Electrique de l'Ecole Polytechnique de l'Universit de Nantes, pour avoir encadr cette thse et m'avoir support (dans tous les sens du terme) pendant toute la dure des travaux. Monsieur Mohamed El Hadi ZAIM, Professeur au dpartement Gnie Electrique de l'Ecole Polytechnique de l'Universit de Nantes, pour m'avoir fait bnficier de ses connaissances sur les machines lectriques. Je tiens galement remercier l'ensemble du personnel du Centre de Recherche et de Transfert de Technologie de Saint-Nazaire et du dpartement Gnie Electrique de l'IUT de Nantes pour les messages d'encouragement et de sympathie qu'ils m'ont adresss au fil des discussions l'approche de la fin de ce travail. J'aimerais maintenant remercier mes proches et en premier lieu mes parents qui je ddie ce mmoire. Je les remercie de m'avoir soutenu et d'avoir cru en moi malgr les quelques

Avant-propos pripties scolaires que je leur ai fait subir. Je pense qu'ils sauront aisment trouver quels vnements je fais allusion. Ce mmoire est galement ddi mon pouse Claire (tu vois, une thse il y a bien une fin finalement) pour le soutien qu'elle m'a apport, et mon fils Hector, mme si, du haut des ses trois ans, je pense qu'il n'a pas encore tout fait compris ce que va faire son papa tous les jours dans ce mystrieux "labo" et qu'il prfrerait que je sois conducteur de pelleteuse ou ventuellement de camion de pompiers. Je remercie mon frre Bertrand et mes surs Hlne et Franoise ainsi que leurs familles. A l'ternelle question rcurrente reste sans rponse qu'ils me posrent de nombreuses fois ces dernires annes je leur rpondrai tous et une fois pour toutes : "Ca y est, depuis le 19 dcembre 2003, elle est termine". Je remercie enfin les nombreux autres doctorants et jeunes docteurs avec qui mes discussions philosophico-mtaphysiques ont enrichi mes sances dabsorption massive de cafine. Dans un ordre totalement alatoire, je citerai : Nadia, puisquelle est en face de moi en ce moment mme, pour avoir accept de supporter ce qui ne nest pas supportable (surtout la fin de la thse), lors de mes improvisations dlirantes, seul ou avec mon ami Tiptup dont je parlerai plus loin. Je pense quand mme que les quelques fou-rires quelle a pu avoir ont contribu au pardon que, jespre, elle consentira maccorder. Didier, jeune Matre de confrences dont la taille (1m94) na dgal que la quantit de btise pouvant tre synthtise par son cerveau (au demeurant brillant) par unit de temps. Je mets cela sur le compte des manques doxygne importants dus ses sjours prolongs en haute altitude. Merci pour tes conseils aviss pendant cette thse. Eric, bon vivant sil en est, adepte de la tte de veau sauce gribiche, grand prophte du carburateur double corps. Merci pour les quelques explications trs pdagogiques que tu as su me donner dans de nombreux domaines. Jeff, qui dans des temps plus anciens aurait certainement ador tre druide, alchimiste ou apothicaire. Je naime toujours pas la musique que tu coutes et qui est mme venue corrompre ma propre colonne de CD, en revanche garde ton humour et ton parl jeuns qui mont vraiment fait beaucoup rire. Francky, le Tatane-boy du CRTT, sorte dextra-terrestre compos dun mystrieux matriau ultra-rsistant. Modle de finesse, de tendresse et dlgance, il a t notre matre tous en matire de savoir-vivre et a su nous montrer les mfaits de certaines substances en se les administrant lui-mme forte dose plusieurs reprises, quel courage. Il a eu des moments

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Avant-propos difficiles pendant sa thse (une renault 11 bleue, sans doute trop fragile, lui a laiss un douloureux souvenir), mais il a su la terminer avec brio. Merci pour cette bonne ambiance laquelle tu as contribu au dbut de ma thse. Cedric, plus connu (par moi et quelques autres personnes en tout cas) sous le pseudonyme de Tiptup, philosophe au grand cur. Petit par la taille mais grand par la vhmence de ses paroles lorsquil est contrari ou en colre. Il fut un gnie de la composition de propos injurieux envers ma personne, ce qui devint un jeu entre nous pas forcment compris par tout le monde. Il est, pour forte partie, responsable de limpressionnante musculature acquise par mes zygomatiques durant cette thse. Sa rencontre avec Monia, devenue plus tard son pouse, a mystrieusement concid avec la disparition subite de certains de ses attributs vestimentaires les plus ports. Mon enqute est toujours en cours Merci pour ta facult "pter les plombs" et pour mavoir fait profiter da ta matrise de lAutomatique. tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Tarik, personnage souvent difficile cerner (aussi bien physiquement quintellectuellement dailleurs) mais attachant. Je lui confirme que la dure dune thse nest pas comprise dans lintervalle [0,+] mais bien dans [0, n annes] avec n nombre rel infrieur 5. (Sil ny a pas de mathmatiques, il ne comprend pas). Bon courage pour la fin. Je remercie galement Grard pour ses comptences scientifiques transversales notamment dans le domaine de linfiniment bizarre. Je crois que sur certains sujets (il saura lesquels), nous nous comprenons bien. Christophe et Christophe (oui, oui, il y en a deux) de lIUT de Nantes pour leurs conseils tant dans le domaine de lenseignement que celui de la recherche, Christine et Laurette respectivement secrtaire du laboratoire et htesse daccueil du CRTT pour leur disponibilit et leur gentillesse. Les tudiants du dpartement Gnie Electrique de lEcole Polytechnique de lUniversit de Nantes qui, au cours de leurs stages de troisime anne ou de DEA, se sont intresss, de prs ou de loin, lnergie olienne. Bonne chance toi Mickey pour ta future carrire dans les nergies renouvelables. Je souhaite enfin tous les doctorants du laboratoire de finir leur thse de la meilleure faon qui soit. A toutes les personnes pr-cites, et toutes celles que jai oublies (et il y en a) soit parce quelles sont loignes ou soit parce quelles ne sont pas forcment concernes par ce travail, je tmoigne de mon amiti et je leur souhaite une longue et heureuse vie.

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A mes parents qui m'ont soutenu pendant toute la dure de ces longues tudes, A Claire, A Hector.

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Table des matiresINTRODUCTION GENERALE.................................................................................................6

CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES EOLIENS ----------------------- 8 I - Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------- 11 II - Descriptif et qualits de l'nergie olienne. -------------------------------------------------- 11 II.1 Dfinition de l'nergie olienne --------------------------------------------------------------- 11 II.2 Principaux composants dune olienne------------------------------------------------------- 13 III - Les diffrents types doliennes --------------------------------------------------------------- 14 III.1 Eoliennes axe vertical ----------------------------------------------------------------------- 14 III.2 Eoliennes axe horizontal -------------------------------------------------------------------- 15 IV - Energie cintique du vent conversion en nergie mcanique ------------------------- 15 IV.1 Loi de Betz -------------------------------------------------------------------------------------- 15 IV.2 Production dnergie mcanique ------------------------------------------------------------- 18 V - Stratgies de fonctionnement dune olienne ------------------------------------------------ 19 V.1 Bilan des forces sur une pale ------------------------------------------------------------------ 19 V.2 Systmes de rgulation de la vitesse de rotation de l'olienne ---------------------------- 20 V.2.1 Systme dcrochage arodynamique "stall"------------------------------------------ 20 V.2.2 Systme d'orientation des pales "pitch" ------------------------------------------------- 21 V.3 Production optimale d'nergie ----------------------------------------------------------------- 22 VI - Etat de l'art sur la conversion lectromcanique ------------------------------------------ 23 VI.1 Systmes utilisant la machine asynchrone -------------------------------------------------- 23 VI.1.1 Machine asynchrone cage d'cureuil ------------------------------------------------- 23 VI.1.2 Machine asynchrone double stator --------------------------------------------------- 25 VI.1.3 Machine asynchrone connecte au rseau par l'intermdiaire d'une interface d'lectronique de puissance ---------------------------------------------------------------------- 25 VI.1.4 Machine asynchrone double alimentation type "brushless" ---------------------- 26 VI.1.5 Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin" ------------------- 27 VI.1.5.1 Machine asynchrone double alimentation nergie rotorique dissipe ---- 28 VI.1.5.2 Machine asynchrone double alimentation structure de Kramer ----------- 29 VI.1.5.3 Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec cycloconvertisseur.----------------------------------------------------------------------------- 30 VI.1.5.4 Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec convertisseurs MLI----------------------------------------------------------------------------- 31

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Figure 1-25 : structure de Scherbius avec convertisseurs MLI--------------------------- 31 VI.2 Systmes utilisant la machine synchrone --------------------------------------------------- 32 VI.2.1 Alternateur synchrone rotor bobin ou aimants----------------------------------- 32 VI.2.2 Machine synchrone aimants permanents discode---------------------------------- 33 VI.2.3 Machine synchrone vernier aimants-------------------------------------------------- 34 VI.3 Machines structures spciales -------------------------------------------------------------- 35 VI.3.1 Machine rluctance variable non excite -------------------------------------------- 35 VI.3.2 Machine rluctance variable excite par des courants triphass au stator ------- 35 VII - Conclusion---------------------------------------------------------------------------------------- 36 CHAPITRE 2 : ETUDE D'UN SYSTEME DE CONVERSION AUTONOME : LA MACHINE ASYNCHRONE AUTO-EXCITEE --------------------------------------------------38 I - Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------- 42 tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 II - Modlisation du dispositif ----------------------------------------------------------------------- 42 II.1 Modle diphas de la machine asynchrone -------------------------------------------------- 42 II.2 Dtermination de la valeur des capacits d'auto-amorage. ------------------------------- 46 II.3 Prise en compte du phnomne de saturation magntique. -------------------------------- 48 II.4 Identification des paramtres de la machine. ------------------------------------------------ 50 II.5 Modlisation de la charge ---------------------------------------------------------------------- 52 II.5.1 Transformation toile-triangle------------------------------------------------------------ 52 II.5.2 Equations de la charge--------------------------------------------------------------------- 53 II.6 Architecture du modle global de simulation------------------------------------------------ 55 III - Simulations et rsultats exprimentaux ----------------------------------------------------- 56 III.1 Analyse des performances en rgime quilibr -------------------------------------------- 56 III.1.1 Influence des variations de la charge --------------------------------------------------- 57 III.1.2 Influence des variations de vitesse------------------------------------------------------ 59 III.2 Analyse des performances en rgime dsquilibr ---------------------------------------- 60 III.2.1 Dconnexion soudaine d'une capacit-------------------------------------------------- 60 III.2.2 Influence du dsquilibre de capacits ------------------------------------------------- 61 III.2.3 Influence du dsquilibre ou de la dconnexion d'une des trois charges ---------- 62 IV - Conclusion----------------------------------------------------------------------------------------- 63 CHAPITRE 3 : ETUDE ET MISE AU POINT D'UN SIMULATEUR PHYSIQUE D'AEROGENERATEUR ----------------------------------------------------------------------------65 I - Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------- 68

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II - Modlisation mathmatique du systme de conversion d'nergie olienne------------ 68 II.1 Reproduction des variations du vent---------------------------------------------------------- 68 II.2 Modlisation de la turbine --------------------------------------------------------------------- 70 II.3 Commande LQ de la machine courant continu-------------------------------------------- 72 II.3.1 Modle de la machine courant continu------------------------------------------------ 72 II.3.2 Stratgie de commande de la machine courant continu ----------------------------- 73 III - Mise en uvre et rsultats du simulateur --------------------------------------------------- 77 III.1 Rsultats des modles de la turbine et de la machine courant continu ---------------- 78 III.2 Rsultats exprimentaux : modle de la turbine associ une MCC relle ------------ 80 III.2.1 Dispositif exprimental------------------------------------------------------------------- 80 III.2.2 Rsultats exprimentaux ----------------------------------------------------------------- 81 IV - Conclusion----------------------------------------------------------------------------------------- 84 tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 CHAPITRE 4 : MODELISATION ET STRATEGIE DE COMMANDE DE LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION ---------------------------------86 I - Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------- 89 II - Topologie et emploi des machines asynchrones double alimentation----------------- 89 II.1 Structure des machines asynchrones double alimentation ------------------------------- 89 II.2 Application des machines asynchrones double alimentation ---------------------------- 91 III - Fonctionnement en gnratrice vitesse variable----------------------------------------- 93 IV - Diffrentes mthodes de commande de la MADA : description et intrt ------------ 95 V - Modlisation et stratgie de commande en puissances active et ractive -------------- 98 V.1 Modle et Identification des paramtres de la machine ------------------------------------ 98 V.2 Stratgie de commande de la MADA -------------------------------------------------------- 99 V.2.1 Choix du rfrentiel pour le modle diphas ------------------------------------------- 99 V.2.2 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques---------------------- 101 V.2.3 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques-------------------------- 102 V.2.4 Etablissement des angles ncessaires aux transformations ------------------------- 103 V.3 Commande vectorielle de la MADA en gnratrice-------------------------------------- 105 V.3.1 Principe gnral -------------------------------------------------------------------------- 105 V.3.2 Objectifs du contrle -------------------------------------------------------------------- 106 VI - Conclusion--------------------------------------------------------------------------------------- 107 CHAPITRE 5 : COMMANDE DE LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION ------------------------------------------------------------------------------------ 108 -4-

I - Introduction --------------------------------------------------------------------------------------- 111 II - Synthse des rgulateurs----------------------------------------------------------------------- 111 II.1 Hypothses de travail ------------------------------------------------------------------------- 111 II.2 Synthse du rgulateur Proportionnel intgral ------------------------------------------ 114 II.3 Synthse d'un rgulateur RST --------------------------------------------------------------- 116 II.4 Synthse du rgulateur LQG----------------------------------------------------------------- 120 III - Analyse des performances-------------------------------------------------------------------- 124 III.1 Suivi de consigne----------------------------------------------------------------------------- 125 III.2 Sensibilit aux perturbations---------------------------------------------------------------- 127 III.3 Robustesse ------------------------------------------------------------------------------------ 129 IV - Essais avec le simulateur olien ------------------------------------------------------------- 130 IV.1 Schma synoptique du dispositif tudi --------------------------------------------------- 130 IV.2 Prise en compte de l'onduleur ct rotor -------------------------------------------------- 131 IV.3 Performances de la chane complte : simulateur + MADA + onduleur. ------------- 131 IV.3.1 Simulation du systme global sans onduleur ---------------------------------------- 131 IV.3.2 Intgration de l'onduleur --------------------------------------------------------------- 132 V - Conclusion ---------------------------------------------------------------------------------------- 134CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ..............................................................136 Rfrences ..........................................................................................................................138 Annexe 1 : Identification des paramtres de la machine asynchrone cage ..............143 Annexe 2 : Identification des paramtres de la machine courant continu ................149 Annexe 3 : Identification des paramtres de la machine asynchrone double alimentation ........................................................................................................................151 Annexe 4 : Mise en place du banc exprimental : simulateur de turbine et machine asynchrone double alimentation ...................................................................................153

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Introduction

Introduction gnrale

L

'intense industrialisation des dernires dcennies et la multiplication des appareils domestiques lectriques ont conduit des besoins plantaires en nergie lectrique considrables. Face cette demande, toujours croissante de nos jours, les pays industrialiss ont massivement fait appel aux centrales nuclaires. Cette source d'nergie prsente l'avantage indniable de ne pas engendrer de pollution atmosphrique contrairement aux centrales thermiques, mais le risque d'accident nuclaire, le traitement et l'enfouissement des dchets sont des problmes bien rels qui rendent cette nergie peu attractive pour les gnrations futures. Sans oublier que des vnements climatiques rcents, comme la canicule de l't 2003 en France, ont soulev de nouvelles interrogations sur la viabilit du nuclaire, notamment cause du rchauffement local de la temprature de l'eau des fleuves utilise pour refroidir les racteurs. tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Face ces problmes, et de faon limiter l'emploi de centrales nuclaires, certains pays, aids par la drglementation, se sont tourns vers de nouvelles formes d'nergie dites "renouvelables" faisant appel, de faon directe ou indirecte, l'nergie solaire. Parmi cellesci, l'olien apparat clairement en bonne place, non pas en remplacement des sources conventionnelles, mais comme nergie d'appoint complmentaire l'nergie nuclaire. En effet l'nergie potentielle des masses d'air en mouvement reprsente, au niveau mondial, un gisement considrable. Actuellement, plusieurs pays sont dj rsolument tourns vers l'nergie olienne. C'est la cas de l'Allemagne, leader mondial avec une puissance olienne installe de 12 GW, l'Espagne, numro deux de l'Union Europenne avec 4,15 GW et le Danemark avec 2,9 GW la fin de l'anne 2002. Face ces trois "poids lourds", la France ne reprsente que 230 MW oliens. Toutefois, un programme nomm Eole 2005 a t lanc par le gouvernement et "l'Agence de l'Environnement et de la Matrise de l'Energie" en 1996 avec un objectif de 250 500 MW oliens lhorizon 2005. Ce programme sest arrt en 2000, l'volution de la lgislation ayant fix un nouveau cadre juridique. Pour autant, ces premires annes de dveloppement de lolien en France ont utilement prpar les acteurs industriels et administratifs au dveloppement de l'olien. La multiplication des oliennes a conduit les chercheurs en Gnie Electrique mener des investigations de faon amliorer l'efficacit de la conversion lectromcanique et la qualit de l'nergie fournie. Dans ce cadre, le prsent mmoire dcrit une tude sur l'utilisation des machines de type asynchrone dans un systme olien. Le premier chapitre est consacr des rappels sur les systmes oliens travers les quations et les concepts physiques rgissant leur fonctionnement. Ces rappels sont suivis par un tat de l'art sur la conversion -6-

Introduction lectromcanique travers les diffrents types de gnratrices utilises et les convertisseurs qui leur sont associs. Le second chapitre prsente une tude sur les performances et les limites de l'utilisation d'une machine asynchrone cage d'cureuil auto-excite par un banc de capacits. Pour mener cette tude, la machine est place dans plusieurs configurations de charges et de capacits et le rgime dsquilibr est galement tudi. Les simulations sont confrontes aux rsultats exprimentaux. Le troisime chapitre consiste en la ralisation physique d'un simulateur de turbine olienne. Celui-ci est bas sur une machine courant continu commande de faon reproduire le comportement mcanique d'une olienne. La turbine est modlise et les variations de couple qu'elle gnre sont appliques cette machine courant continu. Ce simulateur est destin accueillir les gnratrices dont le fonctionnement est tudi dans un contexte olien. Cette tude sera divise en deux parties : une "simulation numrique" pure, dans laquelle un modle de turbine est associ au modle de la machine courant continu, et une "simulation analogique" exprimentale dans laquelle le modle de la machine courant continu est remplac par une machine relle. Le quatrime chapitre prsente la topologie et les domaines d'utilisation de la machine asynchrone double alimentation. Son fonctionnement en gnratrice vitesse variable ainsi que les grandeurs de commande utilises lorsqu'elle est intgre un systme olien sont dtailles. Une modlisation dans un repre diphas li au champ statorique et une stratgie de commande vectorielle en puissances active et ractive statorique sont proposes. Le cinquime chapitre met en uvre la commande vectorielle base sur trois rgulateurs linaires de philosophie diffrente (Proportionnel Intgral utilis comme rfrence, rgulateur polynomial RST bas sur la thorie du placement de ples et rgulateur Linaire Quadratique Gaussien utilisant la minimisation d'un critre quadratique). Ces rgulateurs sont compars en termes de poursuite de trajectoire, robustesse et sensibilit aux perturbations. Les rsultats obtenus dans ces investigations nous permettront de conclure sur les mthodes et outils utiliss et d'envisager les perspectives et suites donner ce travail. Les trois premiers chapitres annexes permettent de dtailler les mthodes d'identification paramtriques utilises pour tablir les modles des diffrentes machines tudies dans ce mmoire (machine asynchrone cage et double alimentation et machine courant continu). La dernire annexe est une description dtaille de la mise en place de la plate-forme exprimentale destine valider les rsultats obtenus en simulation sur la commande vectorielle de la machine asynchrone double alimentation.

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Rsum : Ce chapitre permet de prsenter le contexte dans lequel s'insre l'tude mene dans l'ensemble de ce document. La premire partie rappelle lestel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

notions lmentaires du fonctionnement d'un systme olien et les quations qui s'y rapportent. Les stratgies de fonctionnement d'une olienne (vitesse fixe, vitesse variable, rgulation par "pitch", "stall" ou "stall actif") sont galement dcrites. La seconde partie prsente un tat de l'art sur les dispositifs lectrotechniques (machines + convertisseurs) permettant de transformer l'nergie mcanique prsente sur l'arbre de l'olienne en nergie lectrique. Cette partie permet galement d'annoncer les orientations des chapitres suivants notamment sur les configurations lectrotechniques qui y seront tudies.

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES EOLIENS ----------------------------------------------8 I - Introduction--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 II - Descriptif et qualits de l'nergie olienne. ------------------------------------------------------------------------ 11 II.1 Dfinition de l'nergie olienne ------------------------------------------------------------------------------------ 11 II.2 Principaux composants dune olienne ---------------------------------------------------------------------------- 13 III - Les diffrents types doliennes------------------------------------------------------------------------------------- 14 III.1 Eoliennes axe vertical--------------------------------------------------------------------------------------------- 14 III.2 Eoliennes axe horizontal ----------------------------------------------------------------------------------------- 15 IV - Energie cintique du vent conversion en nergie mcanique ----------------------------------------------- 15 IV.1 Loi de Betz ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 IV.2 Production dnergie mcanique ---------------------------------------------------------------------------------- 18

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V - Stratgies de fonctionnement dune olienne---------------------------------------------------------------------V.1 Bilan des forces sur une pale --------------------------------------------------------------------------------------V.2 Systmes de rgulation de la vitesse de rotation de l'olienne-------------------------------------------------V.2.1 Systme dcrochage arodynamique "stall" -------------------------------------------------------------V.2.2 Systme d'orientation des pales "pitch" --------------------------------------------------------------------V.3 Production optimale d'nergie --------------------------------------------------------------------------------------

19 19 20 20 21 22

VI - Etat de l'art sur la conversion lectromcanique---------------------------------------------------------------- 23 VI.1 Systmes utilisant la machine asynchrone ----------------------------------------------------------------------- 23 VI.1.1 Machine asynchrone cage d'cureuil---------------------------------------------------------------------- 23 VI.1.2 Machine asynchrone double stator ------------------------------------------------------------------------ 25 VI.1.3 Machine asynchrone connecte au rseau par l'intermdiaire d'une interface d'lectronique de puissance---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 25 VI.1.4 Machine asynchrone double alimentation type "brushless"------------------------------------------- 26 VI.1.5 Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin" ---------------------------------------- 27 VI.1.5.1 Machine asynchrone double alimentation nergie rotorique dissipe ------------------------ 28 VI.1.5.2 Machine asynchrone double alimentation structure de Kramer ------------------------------- 29 VI.1.5.3 Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec cycloconvertisseur.30 VI.1.5.4 Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec convertisseurs MLI ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 31 Figure 1-25 : structure de Scherbius avec convertisseurs MLI----------------------------------------------- 31 VI.2 Systmes utilisant la machine synchrone ------------------------------------------------------------------------ 32 VI.2.1 Alternateur synchrone rotor bobin ou aimants ------------------------------------------------------- 32 VI.2.2 Machine synchrone aimants permanents discode ------------------------------------------------------ 33 VI.2.3 Machine synchrone vernier aimants ---------------------------------------------------------------------- 34 VI.3 Machines structures spciales ----------------------------------------------------------------------------------- 35 VI.3.1 Machine rluctance variable non excite----------------------------------------------------------------- 35 VI.3.2 Machine rluctance variable excite par des courants triphass au stator---------------------------- 35 VII - Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Notations utilises dans le chapitreF : Vecteur force exerce sur les pales d'une olienne incidence variable V1 , V2 : Vitesse du vent respectivement en amont et en aval de l'olienne : densit de l'air 1,225 kg.m-3 S : Surface balaye par le rotor de l'olienne m : Masse d'air traversant le rotor olien en 1s Pm : Puissance extraite par le rotor olien Pmt : Puissance thorique maximale extractible d'un vent non perturb C p : Coefficient de puissance de l'olienne : Vitesse relative de l'olienne tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 1 , 2 : Vitesse de rotation de l'olienne respectivement avant et aprs le multiplicateur : Vitesse de rotation de la gnratrice Pmg : Puissance mcanique disponible sur l'arbre de la gnratrice V : Vecteur vitesse du vent : Angle de calage des pales d'une olienne axe horizontal i : Angle d'incidence des pales d'une olienne axe horizontal Vrot : Composante de la vitesse du vent due la rotation de la turbine Vres : Rsultante des vecteurs V et Vrot Fax :Vecteur force reprsentant la pousse axiale sur une pale Frot : Vecteur force reprsentant la pousse en direction de la rotation sur la pale Fres : Rsultante de Fax et Frot g : Glissement d'une machine asynchrone f : Frquence du rseau lectrique R : Rsistance lectrique e : Couple lectromagntique I : Vecteur courant lectrique B : Vecteur champ magntique

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

I - Introduction

D

epuis l'utilisation du moulin vent, la technologie des capteurs oliens n'a cess d'voluer. C'est au dbut des annes quarante que de vrais prototypes d'oliennes pales profiles ont t utiliss avec succs pour gnrer de l'lectricit. Plusieurs technologies sont utilises pour capter l'nergie du vent (capteur axe vertical ou axe horizontal) et les structures des capteurs sont de plus en plus performantes [1]. Outre les caractristiques mcaniques de l'olienne, l'efficacit de la conversion de l'nergie mcanique en nergie lectrique est trs importante. L encore, de nombreux dispositifs existent et, pour la plupart, ils utilisent des machines synchrones et asynchrones. Les stratgies de commande de ces machines et leurs ventuelles interfaces de connexion au rseau doivent permettent de capter un maximum d'nergie sur une plage de variation de vitesse de vent la plus large possible, ceci dans le but d'amliorer la rentabilit des installations oliennes. tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

II - Descriptif et qualits de l'nergie olienne.II.1 Dfinition de l'nergie olienneUn arognrateur, plus communment appel olienne, est un dispositif qui transforme une partie de l'nergie cintique du vent (fluide en mouvement) en nergie mcanique disponible sur un arbre de transmission puis en nergie lectrique par l'intermdiaire d'une gnratrice (Figure 1-1).

Figure 1-1 : Conversion de l'nergie cintique du vent

L'nergie olienne est une nergie "renouvelable" non dgrade, gographiquement diffuse, et surtout en corrlation saisonnire (lnergie lectrique est largement plus demande - 11 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

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en hiver et cest souvent cette priode que la moyenne des vitesses des vents est la plus leve). De plus, c'est une nergie qui ne produit aucun rejet atmosphrique ni dchet radioactif. Elle est toutefois alatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, ncessitant des mts et des pales de grandes dimensions (jusqu' 60 m pour des oliennes de plusieurs mgawatts) dans des zones gographiquement dgages pour viter les phnomnes de turbulences [2]. Les matriaux ncessaires la fabrication des diffrents lments (nacelle mt, pales et multiplicateur notamment) doivent tre technologiquement avancs et sont par consquent onreux. Lnergie olienne fait partie des nouveaux moyens de production dlectricit dcentralise proposant une alternative viable l'nergie nuclaire sans pour autant prtendre la remplacer (l'ordre de grandeur de la quantit d'nergie produite tant largement plus faible). Les installations peuvent tre ralises sur terre mais galement de plus en plus en mer (fermes oliennes offshore) o la prsence du vent est plus rgulire. De plus, les oliennes sont ainsi moins visibles et occasionnent moins de nuisances sonores. On distingue deux grands types doliennes : Les oliennes axe vertical : ce type dolienne a fait lobjet de nombreuses recherches. Il prsente lavantage de ne pas ncessiter de systme dorientation des pales et de possder une partie mcanique (multiplicateur et gnratrice) au niveau du sol, facilitant ainsi les interventions de maintenance. En revanche, certaines de ces oliennes doivent tre entranes au dmarrage et le mat, souvent trs lourd, subit de fortes contraintes mcaniques poussant ainsi les constructeurs pratiquement abandonner ces arognrateurs (sauf pour les trs faibles puissances) au profit doliennes axe horizontal [2]. Les oliennes axe horizontal beaucoup plus largement employes, mme si elles ncessitent trs souvent un mcanisme dorientation des pales, prsentent un rendement arodynamique plus lev, dmarrent de faon autonome et prsentent un faible encombrement au niveau du sol [3]. Outre l'aspect visuel des oliennes, leur impact sur lenvironnement est rduit. Une olienne ne couvre qu'un pourcentage trs rduit de la surface totale du site sur laquelle elle est implante, permettant alors la plupart des sites de conserver leurs activits industrielles ou agricoles. Leurs nuisances sonores sont de plus relativement faibles. En effet, selon lADEME, le niveau sonore dune olienne est de 50dB 150 mtres et devient imperceptible au del de 400 mtres. Dans la plupart des cas, le bruit du vent est suprieur celui engendr par lolienne. Les oliennes sont divises en trois catgories selon leur puissance nominale : Eoliennes de petite puissance : infrieure 40 kW Eoliennes de moyenne puissance : de 40 quelques centaines de kW. Eoliennes de forte puissance : suprieure 1 MW.

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

II.2 Principaux composants dune olienneIl existe plusieurs configurations possibles d'arognrateurs qui peuvent avoir des diffrences importantes. Nanmoins, une olienne "classique" est gnralement constitue de trois lments principaux: Le mt, gnralement un tube d'acier ou ventuellement un treillis mtallique, doit tre le plus haut possible pour viter les perturbations prs du sol. Toutefois, la quantit de matire mise en uvre reprsente un cot non ngligeable et le poids doit tre limit. Un compromis consiste gnralement prendre un mt de taille trs lgrement suprieure au diamtre du rotor de l'arognrateur (exemple : olienne NORDEX N90 2,3 MW: diamtre de 90m, mt de 80 m de hauteur). La nacelle regroupe tous les lments mcaniques permettant de coupler le rotor olien au gnrateur lectrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein disque, diffrent du frein arodynamique, qui permet d'arrter le systme en cas de surcharge. Le gnrateur qui est gnralement une machine synchrone ou asynchrone et les systmes hydrauliques ou lectriques d'orientation des pales (frein arodynamique) et de la nacelle (ncessaire pour garder la surface balaye par l'arognrateur perpendiculaire la direction du vent). A cela viennent s'ajouter le systme de refroidissement par air ou par eau, un anmomtre et le systme lectronique de gestion de l'olienne. Le rotor, form par les pales assembles dans leur moyeu. Pour les oliennes destines la production d'lectricit, le nombre de pales varie classiquement de 1 3, le rotor tripale (concept danois) tant de loin le plus rpandu car il reprsente un bon compromis entre le cot, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit [3]. Les rotors vitesse fixe sont souvent munis d'un systme d'orientation de la pale permettant la gnratrice (gnralement une machine asynchrone cage d'cureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d'tre connecte directement au rseau sans dispositif d'lectronique de puissance. Ce systme allie ainsi simplicit et faible cot. Les rotors vitesse variable sont souvent moins coteux car le dispositif d'orientation des pales est simplifi voire supprim (La socit Jeumont Industrie utilise un rotor pas fixe). Toutefois, une interface d'lectronique de puissance entre le gnrateur et le rseau ou la charge est ncessaire. Les pales se caractrisent principalement par leur gomtrie dont dpendront les performances arodynamiques et les matriaux dont elles sont constitues (actuellement, les matriaux composites tels la fibre de verre et plus rcemment la fibre de carbone sont trs utiliss car ils allient lgret et bonne rsistance mcanique).

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

III - Les diffrents types doliennesLes oliennes se divisent en deux grandes familles : celles axe vertical et celles axe horizontal.

III.1 Eoliennes axe verticalLes oliennes axe vertical ont t les premires structures dveloppes pour produire de llectricit paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin vent axe horizontal. Elles possdent lavantage davoir les organes de commande et le gnrateur au niveau du sol donc facilement accessibles. De nombreuses variantes ont t testes depuis les annes vingt, dont beaucoup sans succs, mais deux structures sont parvenues au stade de lindustrialisation [4] : tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Le rotor de Savonius (du nom de son inventeur, brevet en 1925) dont le fonctionnement est bas sur le principe de "trane diffrentielle" utilis dans les anmomtres : les efforts exercs par le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensit diffrente, il en rsulte alors un couple moteur entranant la rotation de l'ensemble. L'effet est ici renforc par la circulation d'air entre deux demi-cylindres qui augmente le couple moteur (Figure 1-2a).Rotation

F

F

Vent

Vent

F

F

a

b

Figure 1-2 : Principe du rotor de Savonius et de l'incidence variable.

Les oliennes variation cyclique d'incidence dont la structure la plus rpandue est celle de Darrieus (ingnieur franais qui dposa le brevet au dbut des annes 30). Leur fonctionnement est bas sur le fait qu'un profil plac dans un coulement d'air selon diffrents angles (Figure 1-2b) est soumis des forces de direction et d'intensit variables. La rsultante - 14 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

de ces forces gnre alors un couple moteur entranant la rotation du dispositif. Ces forces sont cres par la combinaison de la vitesse propre de dplacement du profil et de la vitesse du vent. Cela signifie que la rotation du dispositif ne peut pas s'amorcer d'elle-mme. Lorsqu'elle est l'arrt, l'olienne doit donc tre lance par un dispositif annexe (montage d'une olienne Savonius sur le mme rotor ou utilisation de la gnratrice en moteur). Mme si quelques grands projets industriels ont t raliss, les oliennes axe vertical restent toutefois marginales et peu utilises voire actuellement abandonnes. En effet la prsence du capteur d'nergie prs du sol l'expose aux turbulences et au gradient de vent ce qui rduit son efficacit. Elles sont de plus exposes des problmes d'arolasticit dus aux fortes contraintes qu'elles subissent. Enfin la surface qu'elles occupent au sol est trs importante pour les puissances leves.

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III.2 Eoliennes axe horizontalLes oliennes axe horizontal sont bases sur la technologie ancestrale des moulins vent. Elles sont constitues de plusieurs pales profiles arodynamiquement la manire des ailes d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilise pour maintenir un avion en vol mais pour gnrer un couple moteur entranant la rotation. Le nombre de pales utilis pour la production d'lectricit varie classiquement entre 1 et 3, le rotor tripale tant le plus utilis car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le cot et la vitesse de rotation du capteur olien [5]. Ce type d'olienne a pris le dessus sur celles axe vertical car elles reprsentent un cot moins important, elles sont moins exposes aux contraintes mcaniques et la position du rcepteur plusieurs dizaines de mtres du sol privilgie l'efficacit. Notons cependant que certains travaux dfendent la viabilit du rotor vertical en ralisant des tudes multi-critres [6]. Les concepts abords dans la suite de cette tude se limiteront uniquement au cas des oliennes axe horizontal.

IV - Energie cintique mcaniqueIV.1 Loi de Betz

du

vent

conversion

en

nergie

Considrons le systme olien axe horizontal reprsent sur la Figure 1-3 sur lequel on a reprsent la vitesse du vent V1 en amont de l'arognrateur et la vitesse V2 en aval. En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est gale la moyenne entre la vitesse du vent non perturb l'avant de l'olienne V1 et la vitesse du vent aprs passage

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

travers le rotor V2 soit

V1 + V2 , la masse d'air en mouvement de densit traversant la surface 2 S des pales en une seconde est: m= S (V1 + V2 ) 2

(1.1)

La puissance Pm alors extraite s'exprime par la moiti du produit de la masse et de la diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) : Pm = m(V12 V22 ) 2

(1.2)

Soit en remplaant m par son expression dans (1.1): tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 S (V1 + V2 ) (V12 V22 ) 4

Pm =

(1.3)

Figure 1-3 : Tube de courant autour d'une olienne

Un vent thoriquement non perturb traverserait cette mme surface S sans diminution de vitesse, soit la vitesse V1, la puissance Pmt correspondante serait alors : Pmt = SV13 2

(1.4)

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

- 16 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens2 V1 V1 1 + 1 V2 V2

Pm = Pmt

2

(1.5)

Si on reprsente la caractristique correspondante l'quation ci-dessus (Figure 1-4), on s'aperoit que le ratio Pm/Pmt appel aussi coefficient de puissance Cp prsente un maxima de 16/27 soit 0,59. C'est cette limite thorique appele limite de Betz qui fixe la puissance maximale extractible pour une vitesse de vent donne. Cette limite n'est en ralit jamais atteinte et chaque olienne est dfinie par son propre coefficient de puissance exprim en fonction de la vitesse relative reprsentant le rapport entre la vitesse de l'extrmit des pales de l'olienne et la vitesse du vent.Pm Pmt0.6 0.59 0.58 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53 0.52 0.51 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

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Cp

V1 V2

Figure 1-4 : Coefficient de puissance

Figure 1-5 : Coefficient de puissance pour diffrents types d'oliennes

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Les oliennes marche lente sont munies d'un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur inertie importante impose en gnral une limitation du diamtre environ 8 m. Leur coefficient de puissance (Figure 1-5) atteint rapidement sa valeur maximale lors de la monte en vitesse mais dcrot galement rapidement par la suite. Les oliennes marche rapide sont beaucoup plus rpandues et pratiquement toutes ddies la production d'nergie lectrique. Elles possdent gnralement entre 1 et 3 pales fixes ou orientables pour contrler la vitesse de rotation. Les pales peuvent atteindre des longueurs de 60 m pour des oliennes de plusieurs mgawatts. Les oliennes tripales sont les plus rpandues car elles reprsentent un compromis entre les vibrations causes par la rotation et le cot de l'arognrateur. De plus, leur coefficient de puissance (Figure 1-5) atteint des valeurs leves et dcrot lentement lorsque la vitesse augmente. Elles fonctionnent rarement au dessous d'une vitesse de vent de 3 m/s [7]. tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

IV.2 Production dnergie mcaniqueEn combinant les quations (1.1), (1.4) et (1.5), la puissance mcanique Pm disponible sur l'arbre d'un arognrateur s'exprime ainsi : Pm = Pm 1 .Pmt = C p .Pmt = C p ( ) R 2V13 Pmt 2 1 R V1 (1.6)

avec : =

(1.7)

1 : vitesse de rotation avant multiplicateur et R : rayon de l'arognrateur. Compte tenu du rapport du multiplicateur de vitesse K, la puissance mcanique Pmg disponible sur l'arbre du gnrateur lectrique s'exprime par : R 1 Pmg = C p ( 2 ) R 2V13 KV1 2 Avec 2 : vitesse de rotation aprs multiplicateur. Cette relation permet d'tablir un ensemble de caractristiques donnant la puissance disponible en fonction de la vitesse de rotation du gnrateur pour diffrentes vitesses de vent (Figure 1-6) [7]. - 18 (1.8)

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

9000 8000 Puissance mcanique (Watts) 7000 6000

14 m/s

13 m/s

12 m/s5000 4000 3000 2000

11 m/s 10 m/s 9 m/s

1000 0

8 m/s0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Vitesse de rotation du gnrateur (tr/min) 1800 2000

Figure 1-6 : Puissance thorique disponible pour un type d'olienne donn

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Au vu de ces caractristiques, il apparat clairement que si lolienne et par consquent la gnratrice fonctionne vitesse fixe (par exemple 1600 tr/min sur la Figure 1-6) les maxima thoriques des courbes de puissance ne sont pas exploits. Pour pouvoir optimiser le transfert de puissance et ainsi obtenir le maximum thorique pour chaque vitesse de vent, la machine devra pouvoir fonctionner entre 1100 et 1900 tr/min pour cet exemple.

V - Stratgies de fonctionnement dune olienneV.1 Bilan des forces sur une pale

Figure 1-7 : Bilan des forces sur une pale

La Figure 1-7 reprsente la section longitudinale dune pale darognrateur [8]. La vitesse du vent arrivant face cette pale, est reprsent par le vecteur V . Le vecteur Vrot - 19 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

reprsente la composante de vent due la rotation de larognrateur. La rsultante de ces deux vecteurs est appele Vres . Laction du vent sur la pale produit une force Fres qui se dcompose en une pousse axiale Fax directement compense par la rsistance mcanique du mat et une pousse en direction de la rotation Frot qui produit effectivement le dplacement. Chaque turbine olienne est ainsi dimensionne pour que cette force atteigne sa valeur nominale pour une vitesse de vent nominale donne. Lorsque la vitesse de vent devient trop leve ou si la gnratrice ncessite une vitesse de rotation fixe, la puissance extraite par lolienne doit tre annule ou limite sa valeur nominale.

V.2 Systmes de rgulation de la vitesse de rotation de l'olienneV.2.1 Systme dcrochage arodynamique "stall" tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

Vrot

Vrot

V

iVres

V

iVres

Figure 1-8 : Flux dair sur un profil de pale " stall "

La plupart des oliennes connectes au rseau lectrique ncessitent une vitesse de rotation fixe pour des raisons de cohrence de frquence avec le rseau. Le systme de limitation de vitesse le plus simple et le moins coteux est un systme de limitation naturelle (intrinsque la forme de la pale) dit "stall". Il utilise le phnomne de dcrochage arodynamique. Lorsque langle dincidence i devient important, cest dire lorsque la vitesse du vent dpasse sa valeur nominale Vn, laspiration cre par le profil de la pale nest plus optimale ce qui entrane des turbulences la surface de la pale (Figure 1-8) et par consquent

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

une baisse du coefficient de puissance. Ceci empche alors une augmentation de la vitesse de rotation. Ce systme est simple et relativement fiable mais il manque de prcision car il dpend de la masse volumique de l'air et de la rugosit des pales donc de leur tat de propret. Il peut, dans certains cas, tre amlior en autorisant une lgre rotation de la pale sur elle mme (systme "stall actif") permettant ainsi de maximiser lnergie capte pour les faibles vitesses de vent. Pour les fortes vitesses de vent, la pale est incline de faon diminuer langle de calage et renforcer ainsi leffet "stall" de la pale. La rpercussion des variations de vitesse de vent sur le couple mcanique fournie par lolienne est ainsi moins importante [7].

V.2.2 Systme d'orientation des pales "pitch"

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Position de prise au vent maximale

Section de pale

Sens de dplacement

VFigure 1-9 : Variation de l'angle de calage d'une pale

Figure 1-10 : Influence de l'angle de calage sur le coefficient de couple

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

V.3 Production optimale d'nergieDans un systme de production d'nergie par olienne fonctionnant vitesse variable, on cherchera systmatiquement le rgime optimal en exploitant les maxima du rseau de courbes de la Figure 1-6. Ce qui signifie que pour un rgime de fonctionnement donn (vitesse du vent fixe) on souhaite que la puissance fournie soit maximale ce qui correspond une valeur de donne appele opt. La vitesse de rotation optimale opt rsultante est alors donne par : opt = opt R

.v

(1.9)

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La caractristique correspondant cette relation est donne sur la zone II de la Figure 1-11 [9]. La zone I correspond aux vitesses de vent trs faibles, insuffisantes pour entraner la rotation de l'olienne, et la zone III correspond aux vitesses de vent leves pour lesquelles la vitesse de rotation de l'olienne est limite une valeur maximale afin de ne pas subir de dgts.

Figure 1-11 : Loi de commande optimale d'une olienne vitesse variable

La gnratrice fournit alors de l'nergie lectrique frquence variable et il est ncessaire d'ajouter une interface d'lectronique de puissance entre celle-ci et le rseau (Figure 1-12). Cette interface est classiquement constitue de deux convertisseurs (un redresseur et un onduleur) connects par l'intermdiaire d'un tage tension continue. L'onduleur cot rseau est alors dcoupl de la machine via le bus continu et il n'y a pas de lien direct entre la frquence du rseau et celle dlivr par la machine. Un tel dispositif doit cependant tre conu et command de faon limiter les perturbations qu'il est susceptible de gnrer sur le rseau. En effet, la tension dlivre n'est pas sinusodale et peut contenir des harmoniques indsirables. De plus, les convertisseurs sont dimensionns pour faire transiter la

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

totalit de la puissance change entre la gnratrice et le rseau, ils reprsentent par consquent un investissement financier et conduisent des pertes non ngligeables.SIGNAL ALTERNATIF SIGNAL MLI RESEAU TRIPHASE

ETAGE CONTINU

Gnratrice courant alternatif

Figure 1-12 : interface d'lectronique de puissance

VI - Etat de l'art sur la conversion lectromcaniquetel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

VI.1 Systmes utilisant la machine asynchroneVI.1.1 Machine asynchrone cage d'cureuil Contrairement aux autres moyens traditionnels de production d'nergie lectrique o l'alternateur synchrone est largement utilis, c'est la gnratrice asynchrone cage d'cureuil qui quipe actuellement une grande partie des oliennes installes dans le monde. La plupart des applications utilisant la machine asynchrone sont destines un fonctionnement en moteur (cela reprsente d'ailleurs un tiers de la consommation mondiale d'lectricit), mais cette machine est tout fait rversible et ses qualits de robustesse et de faible cot ainsi que l'absence de balais-collecteurs ou de contacts glissants sur des bagues la rendent tout fait approprie pour l'utilisation dans les conditions parfois extrmes que prsente l'nergie olienne. La caractristique couple/vitesse d'une machine asynchrone deux paires de ples est donne sur la Figure 1-13 [10].

Figure 1-13 : Caractristique couple/vitesse d'une machine asynchrone 2 paires de ples

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Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Pour assurer un fonctionnement stable du dispositif, la gnratrice doit conserver une vitesse de rotation proche du synchronisme (point g=0), dans le cas de la caractristique cidessus, la gnratrice devra garder une vitesse comprise entre 1500 et 1600 trs/min Le dispositif le plus simple et le plus couramment utilis consiste coupler mcaniquement le rotor de la machine asynchrone l'arbre de transmission de l'arognrateur par l'intermdiaire du multiplicateur de vitesse et connecter directement le stator de la machine au rseau (Figure 1-14). La machine a un nombre de paire de ples fixe et doit donc fonctionner sur une plage de vitesse trs limite (glissement infrieur 2%). La frquence tant impose par le rseau, si le glissement devient trop important les courants statoriques de la machine augmentent et peuvent devenir destructeurs. La simplicit de la configuration de ce systme (aucune interface entre le stator et le rseau et pas de contacts glissants) permet de limiter la maintenance sur la machine. tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 Ce type de convertisseur lectromcanique est toutefois consommateur d'nergie ractive ncessaire la magntisation du rotor de la machine, ce qui dtriore le facteur de puissance global du rseau. Celui-ci peut-tre toutefois amlior par l'adjonction de capacits reprsentes sur la Figure 1-14 qui deviennent la seule source de puissance ractive dans le cas d'un fonctionnement autonome de l'olienne.SENS DU TRANSFERT DENERGIE

MULTIPLICATEUR

MAS

RESEAU

f

Figure 1-14 : Connexion directe d'un machine asynchrone sur le rseau

Malgr sa simplicit, le systme de fonctionnement vitesse fixe peut tre bruyant, cause de la modification des caractristiques arodynamiques dues l'orientation des pales, et il n'exploite pas la totalit de la puissance thoriquement disponible pour les vitesses de vent leves. En effet le systme est conu pour fonctionner sur la partie gauche du rseau de courbes de la Figure 1-6, l o celles-ci sont le plus rapproches les unes des autres. La machine est alors naturellement protge contre les surcharges mais l'efficacit de l'olienne est fortement rduite. De plus les variations du couple mcanique sont frquentes puisque le systme d'orientation des pales est souvent en action pour pallier les variations de vitesse de vent. Ces variations de couple produisent de brusques variations du courant dbit sur le rseau entranant ainsi des perturbations. - 24 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

VI.1.2 Machine asynchrone double stator Pour amliorer le rendement du dispositif prcdent, certains constructeurs utilisent un systme base de machine asynchrone double stator (Figure 1-15) : Un stator de faible puissance grand nombre de paires de ples pour les petites vitesses de vent. Un stator de forte puissance faible nombre de paires de ples permettant de fonctionner aux vitesses de vent leves [11]. Ce systme reste intrinsquement un dispositif vitesse fixe mais possde deux points de fonctionnement diffrents. Le bruit ainsi engendr par l'olienne est alors plus faible pour les petites vitesses de vent car l'angle de calage ncessaire l'orientation des pales atteint des valeurs moins leves. La prsence d'un deuxime stator rend la conception de la machine particulire et augmente le cot et le diamtre de faon non ngligeable, ce qui reprsente une augmentation du poids et de lencombrement de l'ensemble.ENERGIE

tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006

f

MULTIPLICATEUR

MASENERGIE

Figure 1-15 : Machine asynchrone double stator

VI.1.3 Machine asynchrone connecte au rseau par l'intermdiaire d'une interface d'lectronique de puissance Le dispositif de base est reprsent sur la Figure 1-16. Cette configuration autorise un fonctionnement vitesse variable sans limite physique thorique. En effet, quelle que soit la vitesse de rotation de la machine, la tension produite est redresse et transforme en tension continue. Le fonctionnement de l'onduleur est alors classique et une commande adquate permet de dlivrer une tension alternative de frquence fixe correspondant celle du rseau avec un facteur de puissance unitaire. La puissance nominale de la gnratrice dtermine alors la puissance maximale que peut fournir l'olienne. Les convertisseurs utiliss sont dimensionns pour la totalit de cette puissance change entre la machine et le rseau. Ils - 25 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

reprsentent donc un cot important, des pertes non ngligeables (jusqu' 3% de la puissance nominale de la machine) et entranent des perturbations qui nuisent au rendement et la qualit de l'nergie dlivre. De plus, la prsence des capacits est indispensable pour fournir l'nergie ractive ncessaire la magntisation de la machine. Cette nergie ne peut pas tre fournie par le rseau car le redresseur est unidirectionnel. Il peut tre ventuellement remplac par un redresseur MLI base d' IGBT dont la structure est semblable celle de l'onduleur. Dans ce cas, le transfert de puissance ractive est contrlable et se fait du bus continu vers la machine et le transfert de puissance active est identique au cas du redresseur simple. Cette solution alourdit toutefois le dispositif en terme de cot et de complexit de mise en oeuvre, de plus, les enroulements statoriques du moteur sont alors soumis des dv/dt importants qui peuvent rduire leur dure de vie [12]. Lensemble de ces inconvnients nont pas permis un dveloppement industriel important de ce dispositif.ENERGIE REDRESSEUR ONDULEUR

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+RESEAU

MULTIPLICATEUR

MAS -

f

Figure 1-16 : Machine asynchrone connecte sur le rseau par l'intermdiaire d'un ensemble redresseur onduleur

VI.1.4 Machine asynchrone double alimentation type "brushless" Cette machine a la particularit de possder deux bobinages triphass au stator. Un des bobinages est directement connect au rseau et est destin au transfert de puissance. Le second bobinage, dont la section des conducteurs est moins leve, permet de faire varier les courants d'excitation de la machine. Le rotor possde une structure spciale diffrente de la cage d'cureuil classique mais tout aussi robuste : il est constitu de plusieurs boucles conductrices concentriques (Figure 1-17).

Figure 1-17 : Schma dvelopp d'un rotor cage classique et d'un rotor de machine asynchrone "brushless"

Cette machine prsente l'intrt d'autoriser un fonctionnement vitesse variable l'instar du dispositif de la (Figure 1-16). En revanche, le stator de forte puissance est connect - 26 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

directement sur le rseau et le convertisseur est plac entre le stator de faible puissance et le rseau [13] (Figure 1-18).ENERGIE

REDRESSEUR COMMANDE

ONDULEUR RESEAU

+MULTIPLICATEUR

MAS ENERGIE

f

Figure 1-18 : Machine asynchrone brushless connecte sur le rseau.

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Dans ce cas, le convertisseur est dimensionn uniquement pour faire transiter la puissance destine la magntisation de la machine et est donc moins coteux que dans le cas de la (Figure 1-16) . La machine n'a pas de contacts glissants mais possde deux stators nombre de paire de ples diffrent ce qui augmente son diamtre et sa complexit de fabrication. En faisant varier la puissance ractive absorbe, le convertisseur permet de contrler le facteur de puissance et d'augmenter ou diminuer les courants rotoriques. Le flux et le glissement de la machine en sont alors modifis. La machine peut ainsi dlivrer une tension frquence fixe tout en ayant une vitesse de rotation variable. La taille du convertisseur est proportionnelle au glissement maximum, les tudes montrent que si le glissement dpasse 30%, le cot du convertisseur et la diminution du rendement due aux pertes dans le rotor qui augmentent avec le glissement rendent le systme peu attractif. Ce systmes n'est pas exploit industriellement mais existe l'tat de prototype.

VI.1.5 Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin" La machine asynchrone double alimentation (MADA) avec rotor bobin prsente un stator triphas identique celui des machines asynchrones classiques et un rotor contenant galement un bobinage triphas accessible par trois bagues munies de contacts glissants. Intgre dans un systme olien, la machine a gnralement son stator connect au rseau et l'nergie rotorique varie selon diffrents systmes dcrits ci-dessous. Les convertisseurs utiliss sont alors dimensionns pour une fraction de la puissance nominale de la machine. Le surcot engendr par la prsence de bobinages au rotor est alors compense par l'conomie ralise sur le convertisseur. Cette configuration fera l'objet d'une tude dtaille dans la seconde partie de ce mmoire. - 27 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Figure 1-19 : Machine asynchrone rotor bobin (document "Joliet Equipement")

VI.1.5.1 Machine asynchrone double alimentation nergie rotorique dissipe

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Cette configuration vitesse variable est reprsente sur la (Figure 1-20), le stator est connect directement au rseau et le rotor est connect un redresseur. Une charge rsistive est alors place en sortie du redresseur par l'intermdiaire d'un hacheur IGBT ou GTO [7]. Le contrle de l' IGBT permet de faire varier l'nergie dissipe par le bobinage rotorique et de fonctionner vitesse variable en restant dans la partie stable de la caractristique couple/vitesse de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifi en fonction de la vitesse de rotation du moteur.RESEAU ENERGIE REDRESSEUR

f +

MULTIPLICATEUR

MADA ENERGIE

R

Figure 1-20 : MADA avec contrle du glissement par l'nergie dissipe

Si le glissement devient important, la puissance extraite du rotor est leve et elle est entirement dissipe dans la rsistance R, ce qui nuit au rendement du systme. De plus cela augmente la puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la taille de la rsistance. Le fabriquant "VESTAS" dans son dispositif "OPTI-SLIP" a mis en oeuvre ce systme en utilisant des composants qui tournent avec le rotor et une transmission optique des signaux de commande. Les contacts glissants sont ainsi vits. La variation maximale du glissement obtenue dans ce procd est de 10%.

- 28 -

Chapitre 1 : Gnralits sur les systmes oliens

Couple lectromagntique e

Requ1 0 tel que A11 P + PA11 + Qc PB1 Rc1 B1t P = 0

K = Rc1 B1t P Aprs reconstitution de la loi de commande (U=V+Ua) on en dduit l'expression du gain et de la loi de commande : ia KTa + Ga ] ref r

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U = [K

(3.23)

Il reste maintenant dterminer lobservateur dtats ( M ) du modle standard (M) suivant la mthode de Kalman. La structure de lobservateur est la forme classique dun observateur de Luenberger donne par :

u X = ( A LC y ) X + [ B L ] (M ) : ym y = X

(3.24)

Le gain de linjection de sortie (L) se dduit aprs rsolution de lquation de Riccati associe au problme dobservation :t Q tel que AQ + QAt + Q f QC y R 1C Q = 0 f

(3.25) (3.26)

t L = QC y R 1 f

Le gain L ainsi calcul garantit le minimum de variance de l'erreur de reconstruction vis vis de la variance des bruits d'tat et de mesure (Qf et Rf). Ces matrices sont normaliss partir du grammien transitoire d'observabilit :

- 76 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur1

Rf = I

T f At t t At Q f = T f e C Ce dt 0

(3.27)

Le schma-bloc du systme avec son observateur et le gain du retour d'tat est prsent sur la Figure 3-9.

Ke f mcc

Ua

-

1 La p + Ra

Ia

emKc

r

-

1 pJ mcc

y

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Iaobs

Gain du retour dtat [K Kta+Ga]

obs refobs robs

Filtre de Kalman

Ia ref

Figure 3-9 : Systme command avec observateur et gain du retour d'tat

III - Mise en uvre et rsultats du simulateur

Figure 3-10 : Schma synoptique du simulateur

Dans un premier temps, l'ensemble du simulateur est test l'aide du logiciel MatlabSimulink. La rfrence de vitesse gnre par le modle de la turbine tabli au II.2 est applique au modle de la machine courant continu et de son rgulateur synthtis - 77 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

prcdemment. La deuxime tape consiste remplacer le modle de la machine par une machine relle de 10 kW interface avec Matlab par l'intermdiaire d'une carte munie d'un processeur de traitement de signal. Dans ces deux essais, le modle de l'olienne est laisse libre puisque qu'aucun couple rsistant (r sur la Figure 3-6) ne vient perturber son fonctionnement. Le schma synoptique du fonctionnement gnral du dispositif est prsent sur la Figure 3-10 o r reprsente le couple rsistant impos par la gnratrice entrane.

III.1 Rsultats des modles de la turbine et de la machine courant continuLes simulations prsentent le fonctionnement de l'olienne dans l'hypothse o celle-ci est compltement libre, ce qui correspond un fonctionnement ou aucun dispositif de freinage tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 n'est actif et o la gnratrice ne dbite pas de puissance. Le schma simulink utilis pour la simulation est reprsent sur la Figure 3-11. La vitesse de rfrence est crte 1800 tr/min, de faon ce que le rgulateur ne voie pas une vitesse de rfrence trop leve par rapport ce que peut atteindre la MCC vide. La tension de rfrence gnre par le rgulateur est limite 400 V (tension nominale de la MCC).

Figure 3-11 : Schma de simulation du modle de turbine associ la MCC

La Figure 3-12 reprsente l'allure de la vitesse du vent reconstruite partir de la caractristique spectrale de Van der Hoven. Elle montre galement la vitesse de rfrence (en trait gris) gnre par la turbine laquelle nous avons appliqu ces variations de vent. La turbine tant libre de tout couple rsistant, les variations de vitesse de rotation suivent directement les variations du vent. La vitesse relle de la machine courant continu est galement reprsente en trait noir sur le mme graphe que la rfrence. Ces deux courbes sont pratiquement confondues ce qui montre l'efficacit du rgulateur en terme de poursuite de trajectoire. Un zoom sur les caractristiques de ref et (Figure 3-13) permet de d'observer la faible erreur entre la rfrence et la mesure. Nous n'avons pas reprsent le signal - 78 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

reprsentant la reconstruction de la vitesse par l'observateur de Kalman car celle-ci est confondue avec la vitesse mesure.Vvent m/s20 15 10 5 0 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

ref tr/min tr/min1800 1600 1400 1200 1000 800 600 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

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Temps (s)Figure 3-12 : Vitesse du vent, vitesse de rotation de rfrence et vitesse effective de la MCC ref tr/m in tr/m in1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

158

159

160

161

162

Tem ps (s)

163

164

165

166

167

Figure 3-13 : Consigne de vitesse et vitesse relle mesure.

Nous avons galement prsent, sur la Figure 3-14, le courant dans l'induit de la MCC, ainsi que la tension ses bornes en corrlation avec les variations de la vitesse de vent. En simulation, le modle du hacheur n'est pas pris en compte, par consquent, c'est la consigne de tension sortant du rgulateur LQ qui est directement applique au modle de la machine (cette consigne est crte 400 V, ce qui correspond la tension nominale de la machine). Le signal observ ne fait par consquent pas apparatre de Modulation de Largeur - 79 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

d'Impulsions. La caractristique du courant fait apparatre des pics non ngligeables (au del de 5A) dus aux rgimes transitoires pendant lesquels la vitesse du vent augmente brusquement. Dans ce cas, la tension impose la machine augmente galement entranant ces pointes de courant importantes. Dans le dispositif rel, l'utilisation du simulateur en charge ncessitera une surveillance particulire de ce courant et un refroidissement permanent de la machine.V vent (m /s)20 10 0 160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

I mcc (A)3 2 1

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0 -1 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

U mcc (V)400 200 0 160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

Tem ps (s)

Figure 3-14 : Vitesse du vent, courant et tension de la MCC

III.2 Rsultats exprimentaux : modle de la turbine associ une MCC relleLe modle de la turbine et le rgulateur LQ ont t implant sur une carte DSP (modle DS1103 du fabricant DSPACE). Ce dispositif nous a permis d'appliquer la rfrence de vitesse gnre par le modle de la turbine sur une machine relle de 10 kW.

III.2.1 Dispositif exprimental Le dispositif est prsent sur la Figure 3-15. L'essai est bas sur la machine courant continu de 10 kW dcrite au II.3.1. L'interfacage logiciel/matriel est ralis par la carte DS110. Cette carte est gre par un processeur PowerPC 604e cadenc 400 MHz. Elle possde galement un processeur esclave de traitement du signal TMS320F240. Ses capacits

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Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

sont trs tendues puisqu'elle possde 20 entres analogiques (dont 16 multiplexes) et 8 sorties.

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Figure 3-15 : Dispositif exprimental

Six entres pour codeurs incrmentaux et 4 voies d'entres/sorties numriques sur 8 bits sont galement disponibles. Le processeur esclave quant lui est capable de gnrer une MLI triphase, quatre MLI monophases indpendantes et une MLI vectorielle. Il possde galement 4 entres de capture et 2 convertisseurs analogique/numrique basse rsolution et une entre/sortie numrique de 18 bits. La vitesse de rfrence gnre par le modle de la turbine est applique au rgulateur LQ. La tension d'alimentation de la MCC est alors gnre par ce rgulateur et le rapport cyclique ncessaire au hacheur dvolteur est calcule en fonction de cette tension et de la valeur de la tension E d'alimentation du hacheur. Ce rapport cyclique est alors appliqu une des quatre MLI monophases indpendantes de la DS1103. Il en rsulte un signal de commande MLI disponible sur le botier d'interfaage des entres/sorties. Afin d'adapter ce signal et de l'isoler galvaniquement par rapport la grille de l'IGBT du hacheur, nous avons ralis une carte d'interface dont le schma est donn en annexe 4. La mesure du courant de la MCC est ralise l'aide d'un capteur de courant LEM LA25 NP. Celui-ci gnre une tension de faible amplitude qui est l'image du courant mesur. Cette tension est applique une entre ADC (analogic to digital converter) du botier d'entres/sorties. Le programme MATLAB peut alors utiliser la mesure du courant ncessaire au rgulateur LQ et au filtre de Kalman.

III.2.2 Rsultats exprimentaux Le profil de vent appliqu au modle de la turbine est identique celui utilis prcdemment dans les simulations (Figure 3-16). L'interface logicielle DSPACE control- 81 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

desk est utilise pour visualiser les signaux mesurs et observs. Afin de comparer la reconstruction de la vitesse labore l'aide du filtre de Kalman et la vitesse relle, un codeur incrmental est install en bout d'arbre et connecte une des six entre de la carte DS1103, l'interfaage avec Matlab permet alors une lecture directe de cette vitesse.

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Figure 3-16 : Vitesse de vent applique au modle de la turbine

Les Figure 3-17 et Figure 3-18 montrent respectivement la vitesse de rfrence impose par le simulateur et la vitesse de rotation de la machine courant continu releve l'aide d'un codeur incrmental plac en bout d'arbre. Ces figures montrent que le bon fonctionnement de la commande LQ lorsque le modle de la MCC est remplac par la machine exprimentale. Contrairement aux simulations, du paragraphe prcdent, il n'y a pas d'crtage de la vitesse de rfrence gnre par le modle de turbine, ce qui explique les pointes de celle-ci au del de 2000 tr/min sur la Figure 3-17. On notera alors que lorsque cette consigne de vitesse devient trop leve, le rgulateur LQ impose la MCC la tension maximale. La machine atteint alors sa vitesse limite caractrise par les saturations 1650 tr/min de la Figure 3-18.

Figure 3-17 : Vitesse de rfrence gnre par le simulateur

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Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

Figure 3-18 : Relev exprimental de la vitesse de rotation

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Les crtages observes sur le profil de la vitesse de la Figure 3-18 sont dues une consigne de vitesse trop leve. Le hacheur plac en amont de la MCC reoit alors un rapport cyclique unitaire entranant l'alimentation de la MCC sous sa tension nominale. La vitesse releve correpond alors la vitesse maximale que peut atteindre la MCC vide soit environ 1650 tr/min. Le relev exprimental du courant de la Figure 3-19, montre une valeur moyenne relativement faible puisque la machine est vide, avec toutefois des impulsions importantes pouvant dpasser les 5 ampres et correspondant aux brusques variations de vent. L'observation des formes d'ondes du courant et de la tension dans la MCC sur 200 s (Figure 3-20) montre la MLI impose la MCC ainsi que les impulsions de courant chaque commutation de l'IGBT du hacheur. Ces impulsions ne sont pas visibles sur la Figure 3-19 car leur trs faible dure ne permet pas au convertisseur analogique numrique de la carte Dspace de les relever. Dans ces conditions, l'utilisation du dispositif pendant un temps prolong nous a permis de constater un chauffement important de la machine du ces nombreuse pointes de courant. La ventilation du systme est alors indispensable, qui plus est lorsque la machine est utilise en charge.

Figure 3-19 : Relev exprimental du courant dans la MCC

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500 V/div

5 A/div

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Figure 3-20 : Formes d'onde de la tension et du courant dans la MCC

IV - ConclusionCe chapitre nous a permis de dcrire les tapes de modlisation d'une turbine olienne dans le but d'entraner une machine courant continu destine reproduire les variations de vitesse d'une olienne. Dans un premier temps, nous avons tabli un modle permettant de reproduire des variations de la vitesse du vent en se basant sur un chantillonnage de la densit spectrale de puissance de vitesses mesures sur un site. Ces variations de vent sont ensuite appliques un modle de turbine de 10 kW utilisant les quations de base donnant le couple olien en fonction de la densit de l'air, du coefficient de puissance de l'olienne de la vitesse du vent et de la longueur d'une pale. La vitesse de rotation de l'olienne, calcule en fonction de l'inertie et du coefficient de frottements visqueux, est alors impose comme rfrence une machine courant continu de 10 kW. Des relevs ont t effectus avec un modle de MCC d'une part et avec une machine relle faisant partie du banc d'essai ralis au laboratoire. Les rsultats ont montr une bonne corrlation entre thorie et pratique du point de vue du comportement de la MCC et du courant qu'elle absorbe. On note des amplitudes plus leves en pratique en ce qui concerne les pointes de courant relatant les rafales de vent. Ces diffrences peuvent s'expliquer par les imprcisions des paramtres de la MCC utiliss pour le calcul du rgulateur LQG qui diffrent des paramtres rels ainsi que par la frquence d'chantillonnage des convertisseurs analogique/numrique de la carte DSPACE. De plus, le hacheur dvolteur, prsent dans le dispositif exprimental n'est pas pris en compte dans les simulations. - 84 -

Chapitre 3 : Etude et mise au point d'un simulateur physique d'arognrateur

Le suivi de la consigne de vitesse en simulation et en pratique montre l'efficacit de la commande LQ utilise pour la commande de la MCC. Ce dispositif tant ralis, il va permettre de placer les gnratrices accouple la MCC dans des conditions proches de la ralit notamment en ce qui concerne le fonctionnement vitesse variable. Les chapitres suivants sont consacrs l'tude de la Machine Asynchrone Double Alimentation fonctionnant en gnratrice vitesse variable.

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Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

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Rsum : Ce chapitre permet d'introduire les concepts lectrotechniques lis la machine asynchrone fonctionnant en gnratrice. Il prsente les applications courantes de cette machine ainsi que les stratgies de contrle et les grandeurs de commande utilises pour la faire fonctionner en gnratrice. Dans un deuxime temps, la modlisation de la machine est tablie dans un repre diphas de faon mettre en vidence les relations entre les grandeurs statoriques et rotoriques. Ces relations vont permettre d'agir sur les signaux rotoriques en vue de contrler l'change de puissance active et ractive entre le stator de la machine et le rseau.

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Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

CHAPITRE 4 : MODELISATION ET STRATEGIE DE COMMANDE DE LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION------------------------ 86 I - Introduction ---------------------------------------------------------------------------------89 II - Topologie et emploi des machines asynchrones double alimentation --------89 II.1 Structure des machines asynchrones double alimentation -----------------------89 II.2 Application des machines asynchrones double alimentation--------------------91 III - Fonctionnement en gnratrice vitesse variable --------------------------------93 IV - Diffrentes mthodes de commande de la MADA : description et intrt ---95 V - Modlisation et stratgie de commande en puissances active et ractive ------98 V.1 Modle et Identification des paramtres de la machine ----------------------------98 V.2 Stratgie de commande de la MADA ------------------------------------------------99 V.2.1 Choix du rfrentiel pour le modle diphas -----------------------------------99 V.2.2 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques-------------- 101 V.2.3 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques------------------ 102 V.2.4 Etablissement des angles ncessaires aux transformations ----------------- 103 V.3 Commande vectorielle de la MADA en gnratrice------------------------------ 105 V.3.1 Principe gnral ------------------------------------------------------------------ 105 V.3.2 Objectifs du contrle------------------------------------------------------------- 106 VI - Conclusion ------------------------------------------------------------------------------- 107

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Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

Notations utilises dans le chapitre

Pres : Puissance lectrique transitant entre le rseau et la MADA Pmec : Puissance mcanique fournie ou reue par la MADA Pr : Puissance lectrique fournie ou reue par le rotor de la MADA Ps : Puissance lectrique fournie ou reue par le stator de la MADA 1ref : Vitesse de rfrence du rotor olien a : Couple arodynamique estim opt : Rapport davance optimal de lolienne Vsd ,q , Vrd ,q : Tensions statoriques et rotoriques diphases de la MADA dans un repre tournant tel-00011383, version 1 - 14 Jan 2006 I sd ,q , I rd ,q : Courants statoriques et rotoriques diphass de la MADA dans un repre tournant sd ,q , rd ,q : Flux statoriques et rotoriques diphass de la MADA dans un repre tournant Rs , Rr : Rsistance d'une phase statorique et rotorique de la MADA M : Inductance magntisante de la MADA Ls , Lr : Inductances cycliques statorique et rotorique de la MADA p : Nombre de paires de ples de la MADA P, Q : Puissances active et ractive statoriques de la MADA s : Pulsation des grandeurs lectriques statoriques Vs : Module du vecteur tension statorique g : Glissement de la MADA s : Angle lectrique relatif la pulsation statorique s r : Angle lectrique des grandeurs du bobinage rotorique m : Angle mcanique du rotor de la MADA 1 : Angle de rotation des grandeurs diphases statoriques 2 : Angle de rotation des grandeurs diphases rotoriques

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Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

I - Introduction

N

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ous avons vu au chapitre 1 que la machine asynchrone cage d'cureuil, par ses qualits de robustesse, de cot et de simplicit, semble bien adapte l'utilisation dans un systme olien. Lorsqu'elle est directement connecte au rseau, la vitesse de rotation doit rester pratiquement constante de faon ce que la machine reste proche de la vitesse de synchronisme. Cette restriction entrane une efficacit rduite de l'olienne aux vitesses de vent leves. Une solution consiste insrer un convertisseur entre la machine et le rseau. Le dispositif peut alors fonctionner vitesse variable car quelle que soit la vitesse de rotation de la machine, la tension est redresse et un onduleur ct rseau est charg d'assurer la cohrence entre la frquence du rseau et celle dlivre par le dispositif. Toutefois ce convertisseur doit tre dimensionn pour faire transiter la totalit de la puissance gnre par la machine. Il doit donc tre correctement refroidi et prsente un encombrement non ngligeable surtout dans les cas o il se trouve dans la nacelle de l'olienne. De plus il peut tre gnrateur de perturbations harmoniques importantes. Partant de ce constat, nous avons dcid d'utiliser la machine asynchrone double alimentation (MADA) comme alternative la machine cage. Mme si la prsence de contacts glissants et d'un bobinage rotorique la rend moins robuste, la prsence d'un convertisseur entre le rotor et le rseau permet de contrler le transfert de puissance entre le stator et le rseau. De plus, si la plage de variation de vitesse est limite 30% autour du synchronisme, le convertisseur doit alors tre dimensionn pour seulement 30 % de la puissance nominale de la machine. L'nergie lectrique peut non seulement tre produite du stator vers le rseau mais galement, pour les vitesses suprieures au synchronisme, du rotor vers le rseau.

II - Topologie et emploi des machines asynchrones double alimentationII.1 Structure des machines asynchrones double alimentation

Balai

ROTOR

Axe

Bague

Figure 4-1 : Structure du stator et des contacts rotoriques de la MADA

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Chapitre 4 : Modlisation et stratgie de commande de la machine asynchrone double alimentation

La machine asynchrone double alimentation prsente un stator analogue celui des machines triphases classiques (asynchrone cage ou synchrone) constitu le plus souvent de tles magntiques empiles munies d'encoches dans lesquelles viennent s'insrer les enroulements. L'originalit de cette machine provient du fait que le rotor n'est plus une cage d'cureuil coule dans les encoches d'un empilement de tles mais il est constitu de trois bobinages connects en toile dont les extrmits sont relies des bagues conductrices sur lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne (Figure 4-1). En fonctionnement moteur, le premier intrt de la machine asynchrone rotor bobin t de pouvoir modifier les caractristiques du bobinage rotorique de la machine, notamment en y connectant des rhostats afin de limiter le courant et d'augmenter le couple durant le dmarrage, ainsi que de pouvoir augmenter la plage de