Soutenance mémoire
Principe de base de l’éolien
Les turbines éoliennes produisent de l’énergie en convertissant l’énergie du vent soufflant sur les pales du rotor en énergie mécanique de rotation. La structure de base des turbines éoliennes consiste aujourd’hui en un rotor pour capter l’énergie du vent en la transformant en énergie en rotation, un système d’engrenage pour démultiplier la vitesse de rotation du rotor et une machine électrique pour convertir l’énergie mécanique en électricité. Selon leur puissance nominale, les éoliennes sont divisées en trois catégories [2] :
Eoliennes de petite puissance : inférieure à 40 kW
Eoliennes de moyenne puissance : de 40 à quelques centaines de kW.
Eoliennes de forte puissance : supérieure à 1 MW.
Les solutions techniques permettant de recueillir l’énergie du vent sont très variées. En effet, les turbines éoliennes sont classées selon la disposition géométrique de leur arbre sur lequel est montée l’hélice, en deux types : les éoliennes à axe vertical et à axe horizontal [3] [4] [5].
Système « stall » ou à « décrochage aérodynamique »
Le système « stall » ou « à décrochage aérodynamique » est la solution passive la plus simple et la moins coûteuse, car c’est la forme naturelle des pales qui conduit à une perte de portance au-delà d’une certaine vitesse du vent. En effet, ce système ne nécessite pas de pièces mobiles et de système de régulation dans le rotor. Il utilise le phénomène de décrochage aérodynamique. Lorsque l’angle d’incidence i devient important, c’est-à-dire lorsque la vitesse du vent dépasse sa valeur nominale, l’aspiration créée par le profil de la pale n’est plus optimale ce qui entraîne des turbulences à la surface de la pale Figure (1.11) et par conséquent une baisse du coefficient de puissance. Ceci empêche alors une augmentation de la vitesse de rotation. Ce système est simple et relativement fiable mais il manque de précision car il dépend de la masse volumique de l’air et de la rugosité des pales donc de leur état de propreté.
Applications raccordées au réseau électrique
Avec les récents progrès en technologie de conversion d’énergie, les énergies électriques acquises par les systèmes éoliens peuvent facilement être transférées au réseau électrique. Cependant, l’augmentation de cette énergie éolienne a un impact croissant sur le réseau de transport du fait de la difficulté à prévoir la production, de la capacité d’accueil limitée du réseau, du risque de déconnexions intempestives des fermes d’éoliennes et d’une dégradation de la qualité de l’électricité [3]. Afin de transférer efficacement cette énergie électrique au réseau et réduire au minimum le risque lié à l’exploitation et la gestion du système d’énergie électrique, la qualité du système éolien doit être maintenue par la commande de la tension, la fréquence, la fiabilité, le facteur de puissance, etc. Bien que les systèmes éoliens puissent facilement être reliés au réseau électrique, des conditions liées à la fréquence, à la tension et au comportement de la turbine éolienne en cas de défauts du réseau électrique sont essentielles afin d’assurer que les systèmes éoliens ne perturbent pas l’opération du réseau électrique en ce qui concerne la sécurité du système, la fiabilité et la qualité de puissance. Ces conditions, les plus communes, sont comme suit : (a) La commande de la puissance active : Commande active de la puissance de la ferme éolienne afin de participer à la distribuions d’énergie en tant que centrales conventionnelles et empêcher la surcharge des lignes. (b) Le contrôle de la fréquence du réseau électrique : Les turbines éoliennes participent au contrôle de la fréquence du réseau selon leurs puissances pour assurer la sécurité des consommateurs, pour empêcher la surcharge des équipements électriques et pour répondre aux standards de qualité de puissance, ainsi que le réglage de fréquence permette d’augmenter le taux de pénétration de l’éolien. En effet, les installations d’une puissance supérieure ou égale à 40MW doivent participer au réglage primaire de fréquence tandis que les installations d’une puissance supérieure ou égale à 120MW doivent participer au réglage secondaire de fréquence. (c) Le contrôle de la tension du réseau électrique : Les turbines éoliennes effectuent le contrôle de la tension du réseau en tant que centrales conventionnelles ; ceci est exécuté en commandant la puissance réactive avec deux types possibles de réglage [3] :
– Type 1 : Réglage de la tension à une valeur variant linéairement en fonction de la puissance réactive avec une pente ajustable ;
– Type 2 : réglage de la tension selon une consigne asservit aux ordres provenant du réglage secondaire de la tension.
(d) En cas de défaut du réseau électrique : Les turbines éoliennes restent reliées et, dans certains cas, pour soutenir le système d’alimentation par l’injection d’une puissance réactive suffisante afin d’assurer la stabilité du système.
Les défaillances du contrôle électrique
Les détériorations des enroulements du générateur électrique, des transformateurs et de câblage ainsi que les courts-circuits et les surtensions de composants électroniques sont les défaillances communes de contrôle électrique. Ces défaillances peuvent être causées par un des problèmes suivants : des foudres, les mauvaises installations électriques, des défauts techniques et des résonances au sein des circuits Résistance-Condensateur (RC) [31].
Application des machines asynchrone doublement alimentées
La première application importante de la machine asynchrone à double alimentation (à rotor bobiné) est son fonctionnement moteur sur une grande plage de variation de la vitesse. Pour les autres machines (asynchrone à cage d’écureuil ou synchrone), la vitesse de rotation est directement dépendante de la fréquence des courants des bobinages statoriques. Mais pour le fonctionnement à vitesse variable on peut varier la fréquence d’alimentation de la machine. Cette possibilité est réalisée à l’aide d’un redresseur et d’un onduleur commandé, ces deux convertisseurs sont dimensionnés pour faire transiter la puissance nominale de la machine [2]. Avec la MADA, la taille de ces convertisseurs peut diminuer d’environ 70% en faisant varier la vitesse par action sur la fréquence d’alimentation des enroulements rotoriques. Par conséquent, ce dispositif est plus économique et n’est pas consommateur de puissance réactive et peut même en être fournisseur [3]. On peut utiliser le même principe au fonctionnement en génératrice, dans lequel l’alimentation du circuit rotorique à fréquence variable, permet de délivrer une fréquence fixe au stator, même en cas de variation de vitesse. Avec ce fonctionnement, la MADA est une alternative sérieuse aux machines synchrone classiques, dans de nombreux systèmes de production d’énergie décentralisée. La MADA peut fonctionner à vitesse variable avec de très bonnes performances avec deux convertisseurs, un au rotor et un au stator. Avec ce dispositif, on peut varier la vitesse de rotation depuis l’arrêt jusqu’à la vitesse nominale à couple constant et depuis la vitesse nominale jusqu’à six fois celle-ci à puissance constante [4].
Notions Fondamentales de La Surveillance
La survie des compagnies industrielles dépend de plusieurs facteurs : continuité de production ; assurance de quantité ; garantie de la qualité ; prix concurrentiels des produits temps de production ; flexibilité ; sûreté opérationnelle et sûreté environnementale. Pour réaliser ces buts, les opérations industrielles doivent se fonder sur les systèmes et les équipements sûrs. La sûreté de fonctionnement se caractérise par l’étude statique et dynamique des systèmes du point de vue prévisionnel, opérationnel et expérimental, en tenant compte des aspects de probabilités et de conséquences liées aux défaillances [4]. La sûreté de fonctionnement peut être définie par l’aptitude d’une entité à satisfaire une ou plusieurs fonctions requises dans des conditions données. Cette définition peut être prolongée pour des opérations industrielles, à leurs caractéristiques de fiabilité et de conception d’entretien. Par conséquent, la sécurité s’impose et devient un paramètre primordial pour l’industrie. En effet, l’absence d’une stratégie de sûreté de fonctionnement, en comptant les manques de pièces de rechange à un moment critique, peut induire des frais directs et indirects importants [5]. Ces frais peuvent être liés à la production (arrêt de l’installation, perte de production…) ou à la maintenance (commandes en urgence, dégâts secondaires…). En plus, lors des arrêts et des remises en service et compte tenu des erreurs humaines inévitables, ces interventions peuvent nuire à la fiabilité [6, 7, 8]. De ce fait, la surveillance et le diagnostic des systèmes mécaniques sont devenus l’une des préoccupations majeures des industriels. La démarche « sûreté de fonctionnement » s’appuie sur quelques notions de base, qui se sont précisées au cours de l’évolution de cette discipline. Afin d’illustrer le principe d’une fonction sûreté de fonctionnement, il est indispensable de présenter quelques terminologies.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 : GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTEMES ÉOLIENS
1.1 Introduction
1.2 Principe de base de l’éolien
1.2.1 Turbines éoliennes à axe horizontal
1.2.2 Turbines Eoliennes à Axe Vertical (VAWT)
1.2.2.1 Aérogénérateurs à rotor de Darrieus
1.2.2.2 Aérogénérateurs à rotor de Savonius
1.3 Principaux constituants d’une éolienne à axe horizontal
1.4 Avantages et désavantages de l’énergie éolienne
1.5 Energie cinétique du vent(Vf)
1.5.1 Principe de conversion
1.5.2 Production optimal de l’énergie
1.5.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
1.5.4 Régulation électrique de la puissance d’une éolienne
1.5.4.1 Applications isolées
1.5.4.2 Applications raccordées au réseau électrique
1.6 Principe de conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
1.6.1 Les éoliennes à vitesse fixe
1.6.2 Intérêt de la vitesse variable
1.6.3 Eoliennes à vitesse variable commandées par le stator
1.6.4 Eolienne à vitesse variable à base de la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA)
1.7 Différentes défaillances dans les systèmes éoliens
1.7.1 Les défaillances du contrôle électrique
1.7.2 Les défaillances du système d’orientation
1.7.3 Les défaillances du réseau
1.7.4 Les défaillances hydrauliques
1.7.5 Les défaillances des pales
1.7.6 Défauts dans les génératrices électriques
1.7.8 Les défaillances de la boîte de vitesses
1.8 Conclusion
Références
Chapitre 2 : MODÉLISATION ET STRATEGIE DE COMMANDE DE LA TURBINE ÉOLIENNE
2.1 Introduction
2.2 Modélisation de l’éolienne
2.2.1 Modélisation de la vitesse du vent
2.2.2 Modélisation du coefficient de puissance
2.2.3 Modèle du multiplicateur
2.2.4 Equation dynamique de l’arbre de la turbine
2.2.5 Simulation du modèle de la turbine éolienne fonctionnant à vide
2.3 Extraction du maximum de la puissance du vent
2.3.1 Bilan de puissance
2.3.2 Maximisation de la puissance sans asservissement de vitesse
2.3.3 Maximisation de la puissance avec asservissement de vitesse
2.4 Conclusion
References
Chapitre 3 MODELISATION ET COMMANDE VECTORIELLE DE LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION
3.1 Structure de la machine
3.2 Application des machines asynchrone doublement alimentées
3.2.1 Fonctionnement en génératrice à vitesse variable
3.2.2 Fonctionnement de la MADA
3.3 Classification de la structure de la machine asynchrone double alimentation
3.3.1 MADA avec pont à diodes et pont à thyristors
3.3.2 MADA avec pont à diodes et pont à transistors
3.3.3 MADA avec cycloconvertisseur
3.3.4 MADA avec convertisseurs MLI
3.4 Modélisation De La Machine Asynchrone A Double Alimentation
3.4.1 Hypothèses simplificatrices
3.4.2 Equations mathématiques de la MADA dans le repère (abc)
3.4.3 Modèle biphasé de la MADA
3.5 Commande vectorielle de la MADA
3.5.1 Orientation du flux statorique
3.5.2 Puissances statoriques
3.5.3 Tensions rotoriques en fonction des courants rotoriques
3.5.4 Courants rotoriques
3.5.5 Angles nécessaires aux transformations
3.6 Commande Directe des Puissances Active et Réactive
3.7 Commande Indirecte des Puissances Active et Réactive
3.7.1 Commande Indirecte sans Boucles des Puissances
3.7.2 Découplage par Compensation
3.7.3 Commande Indirecte avec Boucles des Puissances
3.8 Modélisation et Commande de l’alimentation de la MADA
3.8.1 Modélisation et commande du convertisseur de puissance côté machine
3.8.2 Commande MLI de l’onduleur
3.8.2.1 Technique MLI sinus triangle
3.8.2.2 Principe de la SVM
3.8.2.3 Description de l’algorithme de la MLI vectorielle
3.9 Génération des courants rotoriques de référence
3.10 Modélisation et commande du convertisseur de puissance côté réseau
3.10.1 Stratégie de commande du convertisseur
3.10.2 Contrôle des puissances active et réactive coté réseau
3.10.3 Contrôle des courants coté réseau
3.10.4 Contrôle de la tension du bus continu
3.11 Résultats de simulations
3.11 Conclusion
Références
Chapitre 4 DIAGNOSTIC DE DEFAUTS D’ENGRENAGE PAR ANALYSE SPECTRALE DE LA PUISSANCE DE LA CHAINE DE CONVERSION DE L’ENERGIE EOLIENNE
4.1 Introduction
4.2 Notions fondamentales de la surveillance
4.2.1 terminologie et définition
4.2.2 Maintenance
4.2.3 Principe de la surveillance
4.3 Conception d’un dispositif de surveillance
4.3.1. Etape 1 – Recherche de signatures des défaillances
4.3.2. Etape 2 – Mise au point de méthodes de surveillance / détection
4.3.3 Etape 3 – Diagnostic des défaillances
4.3.4 Etape 4 – Prise de décision
4.4 Classification des méthodes de diagnostic
4.4.1 Méthodes internes
4.4.2 Méthodes externes
4.5 Théorie de la Transformée de Fourier
4.6 Diagnostic de defauts d’engrenage par analyse spectrale
4.6.1 Topologie usuelle du multiplicateur de vitesse
4.3.2 Représentation des forces exercées sur le multiplicateur de vitesse
4.3.3 Symétrie des composants du système
4.4 Conclusion
Référence
CONCLUSION GENERALE
Annexe
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