Principe de base de lโรฉolien
ย ย ย Les turbines รฉoliennes produisent de l’รฉnergie en convertissant l’รฉnergie du vent soufflant sur les pales du rotor en รฉnergie mรฉcanique de rotation. La structure de base des turbines รฉoliennes consiste aujourdโhui en un rotor pour capter lโรฉnergie du vent en la transformant en รฉnergie en rotation, un systรจme dโengrenage pour dรฉmultiplier la vitesse de rotation du rotor et une machine รฉlectrique pour convertir lโรฉnergie mรฉcanique en รฉlectricitรฉ. Selon leur puissance nominale, les รฉoliennes sont divisรฉes en trois catรฉgories [2] :
๏ท Eoliennes de petite puissance : infรฉrieure ร 40 kW
๏ท Eoliennes de moyenne puissance : de 40 ร quelques centaines de kW.
๏ท Eoliennes de forte puissance : supรฉrieure ร 1 MW.
Les solutions techniques permettant de recueillir lโรฉnergie du vent sont trรจs variรฉes. En effet, les turbines รฉoliennes sont classรฉes selon la disposition gรฉomรฉtrique de leur arbre sur lequel est montรฉe l’hรฉlice, en deux types : les รฉoliennes ร axe vertical et ร axe horizontal [3] [4] [5].
Systรจme ยซ stall ยป ou ร ยซ dรฉcrochage aรฉrodynamique ยป
ย ย ย Le systรจme ยซ stall ยป ou ยซ ร dรฉcrochage aรฉrodynamique ยป est la solution passive la plus simple et la moins coรปteuse, car cโest la forme naturelle des pales qui conduit ร une perte de portance au-delร dโune certaine vitesse du vent. En effet, ce systรจme ne nรฉcessite pas de piรจces mobiles et de systรจme de rรฉgulation dans le rotor. Il utilise le phรฉnomรจne de dรฉcrochage aรฉrodynamique. Lorsque lโangle dโincidence i devient important, cโest-ร -dire lorsque la vitesse du vent dรฉpasse sa valeur nominale, lโaspiration crรฉรฉe par le profil de la pale nโest plus optimale ce qui entraรฎne des turbulences ร la surface de la pale Figure (1.11) et par consรฉquent une baisse du coefficient de puissance. Ceci empรชche alors une augmentation de la vitesse de rotation. Ce systรจme est simple et relativement fiable mais il manque de prรฉcision car il dรฉpend de la masse volumique de l’air et de la rugositรฉ des pales donc de leur รฉtat de propretรฉ.
Applications raccordรฉes au rรฉseau รฉlectrique
ย ย ย ย Avec les rรฉcents progrรจs en technologie de conversion dโรฉnergie, les รฉnergies รฉlectriques acquises par les systรจmes รฉoliens peuvent facilement รชtre transfรฉrรฉes au rรฉseau รฉlectrique. Cependant, lโaugmentation de cette รฉnergie รฉolienne a un impact croissant sur le rรฉseau de transport du fait de la difficultรฉ ร prรฉvoir la production, de la capacitรฉ dโaccueil limitรฉe du rรฉseau, du risque de dรฉconnexions intempestives des fermes dโรฉoliennes et dโune dรฉgradation de la qualitรฉ de lโรฉlectricitรฉ [3]. Afin de transfรฉrer efficacement cette รฉnergie รฉlectrique au rรฉseau et rรฉduire au minimum le risque liรฉ ร l’exploitation et la gestion du systรจme d’รฉnergie รฉlectrique, la qualitรฉ du systรจme รฉolien doit รชtre maintenue par la commande de la tension, la frรฉquence, la fiabilitรฉ, le facteur de puissance, etc. Bien que les systรจmes รฉoliens puissent facilement รชtre reliรฉs au rรฉseau รฉlectrique, des conditions liรฉes ร la frรฉquence, ร la tension et au comportement de la turbine รฉolienne en cas de dรฉfauts du rรฉseau รฉlectrique sont essentielles afin d’assurer que les systรจmes รฉoliens ne perturbent pas l’opรฉration du rรฉseau รฉlectrique en ce qui concerne la sรฉcuritรฉ du systรจme, la fiabilitรฉ et la qualitรฉ 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 รฉolienne afin de participer ร la distribuions d’รฉnergie en tant que centrales conventionnelles et empรชcher la surcharge des lignes. (b) Le contrรดle de la frรฉquence du rรฉseau รฉlectrique : Les turbines รฉoliennes participent au contrรดle de la frรฉquence du rรฉseau selon leurs puissances pour assurer la sรฉcuritรฉ des consommateurs, pour empรชcher la surcharge des รฉquipements รฉlectriques et pour rรฉpondre aux standards de qualitรฉ de puissance, ainsi que le rรฉglage de frรฉquence permette dโaugmenter le taux de pรฉnรฉtration de lโรฉolien. En effet, les installations dโune puissance supรฉrieure ou รฉgale ร 40MW doivent participer au rรฉglage primaire de frรฉquence tandis que les installations dโune puissance supรฉrieure ou รฉgale ร 120MW doivent participer au rรฉglage secondaire de frรฉquence. (c) Le contrรดle de la tension du rรฉseau รฉlectrique : Les turbines รฉoliennes effectuent le contrรดle de la tension du rรฉseau en tant que centrales conventionnelles ; ceci est exรฉcutรฉ en commandant la puissance rรฉactive avec deux types possibles de rรฉglage [3] :
– Type 1 : Rรฉglage de la tension ร une valeur variant linรฉairement en fonction de la puissance rรฉactive avec une pente ajustable ;
– Type 2 : rรฉglage de la tension selon une consigne asservit aux ordres provenant du rรฉglage secondaire de la tension.
(d) En cas de dรฉfaut du rรฉseau รฉlectrique : Les turbines รฉoliennesย restent reliรฉes et, dans certains cas, pour soutenir le systรจme d’alimentation par lโinjection dโune puissance rรฉactive suffisante afin d’assurer la stabilitรฉ du systรจme.
Les dรฉfaillances du contrรดle รฉlectrique
ย ย ย ย Les dรฉtรฉriorations des enroulements du gรฉnรฉrateur รฉlectrique, des transformateurs et de cรขblage ainsi que les courts-circuits et les surtensions de composants รฉlectroniques sont les dรฉfaillances communes de contrรดle รฉlectrique. Ces dรฉfaillances peuvent รชtre causรฉes par un des problรจmes suivants : des foudres, les mauvaises installations รฉlectriques, des dรฉfauts techniques et des rรฉsonances au sein des circuits Rรฉsistance-Condensateur (RC) [31].
Application des machines asynchrone doublement alimentรฉes
ย ย ย La premiรจre application importante de la machine asynchrone ร double alimentation (ร rotor bobinรฉ) est son fonctionnement moteur sur une grande plage de variation de la vitesse. Pour les autres machines (asynchrone ร cage dโรฉcureuil ou synchrone), la vitesse de rotation est directement dรฉpendante de la frรฉquence des courants des bobinages statoriques. Mais pour le fonctionnement ร vitesse variable on peut varier la frรฉquence dโalimentation de la machine. Cette possibilitรฉ est rรฉalisรฉe ร lโaide dโun redresseur et dโun onduleur commandรฉ, ces deux convertisseurs sont dimensionnรฉs pour faire transiter la puissance nominale de la machine [2]. Avec la MADA, la taille de ces convertisseurs peut diminuer dโenviron 70% en faisant varier la vitesse par action sur la frรฉquence dโalimentation des enroulements rotoriques. Par consรฉquent, ce dispositif est plus รฉconomique et nโest pas consommateur de puissance rรฉactive et peut mรชme en รชtre fournisseur [3]. On peut utiliser le mรชme principe au fonctionnement en gรฉnรฉratrice, dans lequel lโalimentation du circuit rotorique ร frรฉquence variable, permet de dรฉlivrer une frรฉquence fixe au stator, mรชme en cas de variation de vitesse. Avec ce fonctionnement, la MADA est une alternative sรฉrieuse aux machines synchrone classiques, dans de nombreux systรจmes de production dโรฉnergie dรฉcentralisรฉe. La MADA peut fonctionner ร vitesse variable avec de trรจs bonnes performances avec deux convertisseurs, un au rotor et un au stator. Avec ce dispositif, on peut varier la vitesse de rotation depuis lโarrรชt jusquโร la vitesse nominale ร couple constant et depuis la vitesse nominale jusquโร six fois celle-ci ร puissance constante [4].
Notions Fondamentales de La Surveillance
ย ย ย ย La survie des compagnies industrielles dรฉpend de plusieurs facteurs : continuitรฉ de production ; assurance de quantitรฉ ; garantie de la qualitรฉ ; prix concurrentiels des produits temps de production ; flexibilitรฉ ; sรปretรฉ opรฉrationnelle et sรปretรฉ environnementale. Pour rรฉaliser ces buts, les opรฉrations industrielles doivent se fonder sur les systรจmes et les รฉquipements sรปrs. La sรปretรฉ de fonctionnement se caractรฉrise par lโรฉtude statique et dynamique des systรจmes du point de vue prรฉvisionnel, opรฉrationnel et expรฉrimental, en tenant compte des aspects de probabilitรฉs et de consรฉquences liรฉes aux dรฉfaillances [4]. La sรปretรฉ de fonctionnement peut รชtre dรฉfinie par l’aptitude d’une entitรฉ ร satisfaire une ou plusieurs fonctions requises dans des conditions donnรฉes. Cette dรฉfinition peut รชtre prolongรฉe pour des opรฉrations industrielles, ร leurs caractรฉristiques de fiabilitรฉ et de conception d’entretien. Par consรฉquent, la sรฉcuritรฉ sโimpose et devient un paramรจtre primordial pour lโindustrie. En effet, lโabsence dโune stratรฉgie de sรปretรฉ de fonctionnement, en comptant les manques de piรจces de rechange ร un moment critique, peut induire des frais directs et indirects importants [5]. Ces frais peuvent รชtre liรฉs ร la production (arrรชt de lโinstallation, perte de productionโฆ) ou ร la maintenance (commandes en urgence, dรฉgรขts secondairesโฆ). En plus, lors des arrรชts et des remises en service et compte tenu des erreurs humaines inรฉvitables, ces interventions peuvent nuire ร la fiabilitรฉ [6, 7, 8]. De ce fait, la surveillance et le diagnostic des systรจmes mรฉcaniques sont devenus lโune des prรฉoccupations majeures des industriels. La dรฉmarche ยซย sรปretรฉ de fonctionnementย ยป s’appuie sur quelques notions de base, qui se sont prรฉcisรฉes au cours de l’รฉvolution de cette discipline. Afin dโillustrer le principe dโune fonction sรปretรฉ de fonctionnement, il est indispensable de prรฉsenter quelques terminologies.
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Table des matiรจres
Introduction Gรฉnรฉrale
Chapitre 1 : GรNรRALITรS SUR LES SYSTEMES รOLIENS
1.1 Introduction
1.2 Principe de base de lโรฉolien
1.2.1 Turbines รฉoliennes ร axe horizontal
1.2.2 Turbines Eoliennes ร Axe Vertical (VAWT)
1.2.2.1 Aรฉrogรฉnรฉrateurs ร rotor de Darrieus
1.2.2.2 Aรฉrogรฉnรฉrateurs ร rotor de Savonius
1.3 Principaux constituants dโune รฉolienne ร axe horizontal
1.4 Avantages et dรฉsavantages de lโรฉnergie รฉolienne
1.5 Energie cinรฉtique du vent(Vf)
1.5.1 Principe de conversion
1.5.2 Production optimal de lโรฉnergie
1.5.3 Rรฉgulation mรฉcanique de la puissance dโune รฉolienne
1.5.4 Rรฉgulation รฉlectrique de la puissance dโune รฉolienne
1.5.4.1 Applications isolรฉes
1.5.4.2 Applications raccordรฉes au rรฉseau รฉlectrique
1.6 Principe de conversion de lโรฉnergie cinรฉtique du vent en รฉnergie mรฉcanique
1.6.1 Les รฉoliennes ร vitesse fixe
1.6.2 Intรฉrรชt de la vitesse variable
1.6.3 Eoliennes ร vitesse variable commandรฉes par le stator
1.6.4 Eolienne ร vitesse variable ร base de la Machine Asynchrone ร Double Alimentation (MADA)
1.7 Diffรฉrentes dรฉfaillances dans les systรจmes รฉoliens
1.7.1 Les dรฉfaillances du contrรดle รฉlectrique
1.7.2 Les dรฉfaillances du systรจme dโorientation
1.7.3 Les dรฉfaillances du rรฉseau
1.7.4 Les dรฉfaillances hydrauliques
1.7.5 Les dรฉfaillances des pales
1.7.6 Dรฉfauts dans les gรฉnรฉratrices รฉlectriques
1.7.8 Les dรฉfaillances de la boรฎte de vitesses
1.8 Conclusion
Rรฉfรฉrences
Chapitre 2 : MODรLISATION ET STRATEGIE DE COMMANDE DE LA TURBINE รOLIENNE
2.1 Introduction
2.2 Modรฉlisation de lโรฉolienne
2.2.1 Modรฉlisation de la vitesse du vent
2.2.2 Modรฉlisation du coefficient de puissance
2.2.3 Modรจle du multiplicateur
2.2.4 Equation dynamique de lโarbre de la turbine
2.2.5 Simulation du modรจle de la turbine รฉolienne fonctionnant ร 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 alimentรฉes
3.2.1 Fonctionnement en gรฉnรฉratrice ร 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 ร diodes et pont ร thyristors
3.3.2 MADA avec pont ร diodes et pont ร transistors
3.3.3 MADA avec cycloconvertisseur
3.3.4 MADA avec convertisseurs MLI
3.4 Modรฉlisation De La Machine Asynchrone A Double Alimentation
3.4.1 Hypothรจses simplificatrices
3.4.2 Equations mathรฉmatiques de la MADA dans le repรจre (abc)
3.4.3 Modรจle biphasรฉ 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 nรฉcessaires aux transformations
3.6 Commande Directe des Puissances Active et Rรฉactive
3.7 Commande Indirecte des Puissances Active et Rรฉactive
3.7.1 Commande Indirecte sans Boucles des Puissances
3.7.2 Dรฉcouplage par Compensation
3.7.3 Commande Indirecte avec Boucles des Puissances
3.8 Modรฉlisation et Commande de lโalimentation de la MADA
3.8.1 Modรฉlisation et commande du convertisseur de puissance cรดtรฉ machine
3.8.2 Commande MLI de lโonduleur
3.8.2.1 Technique MLI sinus triangle
3.8.2.2 Principe de la SVM
3.8.2.3 Description de lโalgorithme de la MLI vectorielle
3.9 Gรฉnรฉration des courants rotoriques de rรฉfรฉrence
3.10 Modรฉlisation et commande du convertisseur de puissance cรดtรฉ rรฉseau
3.10.1 Stratรฉgie de commande du convertisseur
3.10.2 Contrรดle des puissances active et rรฉactive cotรฉ rรฉseau
3.10.3 Contrรดle des courants cotรฉ rรฉseau
3.10.4 Contrรดle de la tension du bus continu
3.11 Rรฉsultats de simulations
3.11 Conclusion
Rรฉfรฉrences
Chapitre 4 DIAGNOSTIC DE DEFAUTS DโENGRENAGE PAR ANALYSE SPECTRALE DE LA PUISSANCE DE LA CHAINE DE CONVERSION DE LโENERGIE EOLIENNE
4.1 Introduction
4.2 Notions fondamentales de la surveillance
4.2.1 terminologie et dรฉfinition
4.2.2 Maintenance
4.2.3 Principe de la surveillance
4.3 Conception dโun dispositif de surveillance
4.3.1. Etape 1 โ Recherche de signatures des dรฉfaillances
4.3.2. Etape 2 โ Mise au point de mรฉthodes de surveillance / dรฉtection
4.3.3 Etape 3 – Diagnostic des dรฉfaillances
4.3.4 Etape 4 – Prise de dรฉcision
4.4 Classification des mรฉthodes de diagnostic
4.4.1 Mรฉthodes internes
4.4.2 Mรฉthodes externes
4.5 Thรฉorie de la Transformรฉe de Fourier
4.6 Diagnostic de defauts dโengrenage par analyse spectrale
4.6.1 Topologie usuelle du multiplicateur de vitesse
4.3.2 Reprรฉsentation des forces exercรฉes sur le multiplicateur de vitesse
4.3.3 Symรฉtrie des composants du systรจme
4.4 Conclusion
Rรฉfรฉrence
CONCLUSION GENERALE
Annexe
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