Commande de la vitesse d’une grande éolienne à vitesse variable dans différents zones de fonctionnements

La terre a connu ces dernières années un réchauffement climatique dû aux émissions du CO2 et les autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère, tous les pays sont appelés aujourd’hui à contribuer à l’effort international de lutte contre les changements climatiques, parmi les mesures de lutter contre le réchauffement qui constitue un phénomène de perturbation sur le plan climatologique, les énergies renouvelables viennent remédier à ce problème dont les conséquences sont fâcheuses, elles sont une source inépuisable, peu polluantes, ce qui offre une production énergétique respectueuse à la nature.

Parmi les énergies renouvelables, trois grandes familles émergent, à savoir celles :
– D’origine mécanique (houle, éolien),
– D’origine électromagnétique (modules photovoltaïques),
– D’origine thermique (géothermie, solaire thermique, …).

Si on prend particulièrement l’énergie éolienne, elle peut être convertie en énergie mécanique (par exemple pour le pompage de l’eau) ou en énergie électrique par l’utilisation de générateurs appropriés. Cette deuxième forme de conversion s’est considérablement développée dans le monde, aussi bien à travers des applications domestiques ou bien industrielles en connexion avec le réseau électrique [50].

Historique de l’énergie éolienne

Avant d’examiner ou de traiter les aspects de la technologie des turbines éoliennes, il est important de présenter un petit historique de l’énergie éolienne. Depuis des siècles, l’homme a cherché à exploiter l’énergie du vent. Il a d’abord permis aux agriculteurs de moudre leurs céréales ou d’actionner une pompe pour irriguer les champs avec les moulins à vents. Aujourd’hui, les éoliennes apparaissent comme une alternative aux moyens de production électrique traditionnels dans le cadre de la transition énergétique [56].

En 1888, l’américain Charles F. Brush, un scientifique de Cleveland en Ohio, a construit la première éolienne destinée à la production de l’électricité, qui mesure 17 mètres de diamètre, est composée de 144 pales en cèdre et a une puissance de 12 kW [57]. En 1890, la première éolienne dite  » industrielle  » permettant de générer de l’électricité est mise au point par le danois Poul La Cour. En 1920, le français Georges J.M. Darrieus a développé le concept de l’éolienne qui porte son nom et qui a un rotor à axe vertical [57]. En 1957, le danois Johannes Juul met au point sa turbine d’une puissance de 200kW, mis au point au Danemark par Johannes. Tripales, dotées d’un système d’orientation électromagnétique et d’une génératrice asynchrone, équipée de frein aérodynamiques d’urgence actionnés par la force centrifuge en cas de survitesse, elle est la première à produire du courant alternatif [1]. L’exploitation de l’énergie éolienne comme source d’énergie électrique a été négligée pendant un certain temps à cause de son homologue des énergies fossiles affichant un coût imbattable, mais suite au premier choc pétrolier de 1973, le prix des énergies fossiles augmente brutalement, ce qui met par conséquent les experts en la matière à reconsidérer l’utilisation énergétique en privilégiant les énergies renouvelables. C’est seulement en 1973 que la plupart des pays développés ont adopté des politiques pour être moins dépendants en matière d’énergie fossile. D’importants programmes de développement des énergies renouvelables ont été instaurés. L’énergie éolienne, qui était autrefois uniquement transformée en énergie mécanique, est maintenant convertie en énergie électrique par le biais d’aérogénérateurs. Cette dernière application est devenue plus accessible grâce aux progrès technologiques dans le domaine de l’électronique et de l’électrotechnique, mais aussi grâce à une bonne compréhension des matériaux [56].

Parmi toutes les ressources possibles (vent, soleil, biomasse, etc.), l’énergie éolienne est aujourd’hui la plus accessible en termes de technologie et de coût, deux paramètres qui expliquent le choix des experts à l’égard de la politique énergétique dans notre société actuelle. Elle est donc tout naturellement appelée à prendre une place importante dans le mix énergétique mondial [25], [11].

Développement des énergies renouvelables au monde 

Partout dans le monde, la conjonction de l’instabilité des marchés des énergies fossiles et l’impératif de protection de l’environnement et de réduction des émissions de gaz à effet de serre imposent une révision des stratégies énergétiques. Les énergies renouvelables disposent d’atouts essentiels pour prendre la première place dans les bouquets énergétiques des pays [10].

Au niveau mondial, le taux de l’introduction de l’énergie éolienne ne cesse d’augmenter, les capacités éoliennes installées en 2017 se sont élevées à 52,6 GW, soit une baisse d’environ 4% par rapport à 2016 selon le GWEC (Global Wind Energy Council). Ce léger recul reflète, selon le secrétaire général du GWEC Steve Sawyer une plus grande maturité de la filière, en transition vers un système basé sur le marché, et en compétition avec d’autres technologies (désormais) plus subventionnées [5].

Le conseil mondial de l’énergie éolienne (GWEC) a publié ses statistiques annuelles du marché pour l’énergie éolienne mondiale, indiquant que le marché de 2017 est resté au-dessus de 50 GW, l’Europe, l’Inde et le secteur éolien offshore enregistrant des années record. La puissance installée de la capacité éolienne a ainsi augmentée l’année dernière de 52.6 GW dans le monde pour atteindre une puissance globale de 539.6 GW fin 2017 [6].

Développement des énergies renouvelables en Algérie 

Actuellement, l’intérêt sur l’énergie éolienne en Algérie a connu une certaine croissance et de nombreuses études ont été réalisées sur le potentiel éolien [54]. Selon le dernier Programme National des Energies Renouvelables (2015-2030), l’énergie éolienne représente 23% de la capacité globale des énergies renouvelables à installer [4]. Pour la technologie de l’énergie éolienne, bien que la capacité totale installée de nos jours ne soit que de 10.2 MW, l’Algérie vise à relever la puissance éolienne installée à 5010 MW à l’horizon 2030 [4]. Parmi les énergies renouvelables en Algérie, l’énergie éolienne occupe la deuxième place après l’énergie solaire. La première éolienne qui a été installée en Algérie revient à la période de la colonisation française, en 1953 par  » le Service de la Colonisation et de l’Hydraulique  » relevant des militaires, qui contrôlaient les territoires du sud algérien. Actuellement elle existe à l’intérieur de la station de l’Institut National de Recherche Agronomique (INRA) d’Adrar. Elle est constituée d’un mat de 24m et un rotor à trois pales d’un diamètre de 15m [54]. L’Algérie présente un potentiel éolien considérable qui peut être exploité pour la production d’énergie électrique, surtout dans le sud où la vitesse du vent est élevée et peut atteindre 7 m/s [15]. On peut dire que le meilleur potentiel d’énergie éolienne est dans le sud du pays et plus particulièrement le sud-ouest où la vitesse du vent dépasse les 6 m/s [54].

Les trois régions situées au sud-ouest du Sahara (Tindouf, Ain Salah et Adrar) semblent être les plus favorables à l’installation de fermes éoliennes car elles cumulent à elles seules un potentiel économique approchant les 24 TWh/an [15].

La ferme éolienne d’Adrar, implantée sur une superficie de 30 hectares dans la zone de Kabertène à 72 km au nord du chef-lieu de la wilaya, dotée d’une douzaine d’éolienne, cette centrale assure une production propre et renouvelable de 10 MW d’électricité, avec une puissance unitaire de 0.85 MW chacune [54], [7].

Table des matières

Introduction générale
I Généralité sur les systèmes éoliens
I.1 Introduction
I.2 Historique de l’énergie éolienne
I.3 Développement des énergies renouvelables au monde
I.4 Développement des énergies renouvelables en Algérie
I.5 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
I.5.1 Avantages
I.5.2 Inconvénients
I.6 Différents types d’éoliennes
I.6.1 Eolienne à axe horizontal
I.6.2 Eolienne à axe vertical
I.7 Composants d’une éolienne à axe horizontal
I.7.1 Le rotor
I.7.2 La nacelle
I.7.3 Le mât
I.8 Configuration des éoliennes
I.8.1 Eolienne à vitesse fixe
I.8.2 Eolienne à vitesse variable
I.9 Générateurs électriques
I.9.1 Générateur asynchrone à cage
I.9.2 Générateur synchrone à aimant permanent
I.9.3 Générateur asynchrone à double alimentation
I.10 Problématique et objectif
I.10.1 Problématique
I.10.2 Objectifs
I.11 Conclusion
II Modélisation de la turbine éolienne à vitesse variable
II.1 Introduction
II.2 Loi de Betz
II.3 Modélisation de l’éolienne à deux masses
II.3.1 Hypothèses simplificatrices du modèle
II.3.2 Modèle de la turbine
II.3.2-a Puissance aérodynamique de la turbine
II.3.2-b Coefficient de puissance
II.3.2-c Vitesse relative
II.3.3 Modèle dynamique de la première masse
II.3.4 Modèle du multiplicateur
II.3.5 Modèle dynamique de la deuxième masse
II.4 Description du modèle à une masse
II.5 Simulation du modèle à deux masses en boucle ouverte
II.5.1 Modèle du vent
II.5.2 Résultat de simulation
II.5.3 Interprétation des résultats
II.6 Conclusion
III Technique de commande d’extraction le maximum de puissance d’une turbine éolienne
III.1 Introduction
III.2 Fonctionnement d’une éolienne à vitesse variable
III.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
III.3.1 Système d’orientation des pales ”Pitch”
III.3.2 Système de décrochage aérodynamique ”Stall”
III.4 Technique d’extraction du maximum de puissance
III.4.1 Commande MPPT sans asservissement de la vitesse
III.4.1-a Résultats de Simulations
III.4.1-b Interprétation des résultats
III.4.2 Commande MPPT avec asservissement de la vitesse
III.5 Synthèse de régulateur de vitesse
III.5.1 Régulateurs PI
III.5.2 Application à la régulation de vitesse
III.6 Résultats de simulation
III.7 Interprétation
III.8 Conclusion
Conclusion générale 

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