Éoliennes à axe vertical et éoliennes à axe horizontal

Éoliennes à axe vertical et éoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal

Elles sont largement plus utilisées. On distingue les éoliennes monopales (une seule pale), les éoliennes bipales (deux pales) et les éoliennes tripales (trois pales). Pour des raisons de stabilité, de poids et de fluctuations mécaniques, 80% des éoliennes construites sont des éoliennes tripales. Les éoliennes à axe horizontal sont autonomes, elles n’ont pas de besoin d’entrainement au démarrage et possèdent un meilleur rendement. Celles-ci peuvent fonctionner à vitesse fixe ou à vitesse variable. Depuis la fin des années 1980, les progrès technologiques ont permis de fabriquer des éoliennes de 7.5MW qui sont actuellement les installations les plus puissantes du marché (Eoljorat, 2011). Le meilleur rendement théorique que peut obtenir une éolienne est de 59% (Limite de Betz). En pratique on considère un rendement de 50% pour les éoliennes industrielles (Ledru, 2006). Concrètement, l’éolienne capte 100% de l’énergie cinétique du vent sur ses pales et réussit à fournir 50% de cette énergie en énergie électrique sur le réseau lorsque l’éolienne fonctionne à vitesse nominale. Il existe donc différentes manières d’améliorer la production de l’éolienne. On peut envisager d’augmenter les 50% et avoisiner les 59% exposés précédemment. On peut aussi contrôler l’éolienne afin de la faire fonctionner à sa vitesse nominale dès que possible (vitesse pendant laquelle elle produit le maximum de puissance électrique). Pour cela on utilise un algorithme nommé MPPT (Maximum Power Point Tracking); celui-ci capte la vitesse du vent et donne une consigne à l’éolienne pour que celle-ci tourne à la vitesse désirée. Si la vitesse du vent est supérieure à la vitesse nominale de l’éolienne, la consigne sera de réduire la vitesse de rotation des pales de l’éolienne. Si le vent est trop fort et risque de détériorer l’éolienne, la consigne sera de mettre l’éolienne en « drapeau » et ainsi interrompre toute activité de l’éolienne.

Éoliennes à vitesse fixe et éoliennes à vitesse variable

Il existe deux types de fonctionnement d’éolienne.

Les éoliennes à vitesse fixe.

Elles sont des éoliennes simples, elles ne nécessitent pas de dispositif électronique de puissance. Généralement ce sont des machines asynchrones à cage d’écureuil car la connexion au réseau est plus facile grâce à la variation du glissement entre la vitesse de rotation du rotor et le flux du stator (Hamdi, 2008). Afin de faire fonctionner la machine asynchrone à la vitesse de synchronisme, on utilise un système d’orientation des pales (angle de calage ߚ par exemple). Ces éoliennes sont de ce fait moins chères mais leur rendement est moins bon (Poitiers, 2003).

Les éoliennes à vitesse variable (type MADA ou PMSG).

Elles peuvent fonctionner sur une plus large plage de vitesse de vent. On peut ainsi tirer le maximum de puissance possible pour chaque vitesse de vent (voir Figure 1.3).
Sur ce schéma, on a tracé deux traits. Le premier trait est le trait vertical vert. Ce trait correspond à la puissance que peut fournir une éolienne à vitesse fixe. Pour une vitesse de vent de 12m/s elle fournira 42MW au réseau. Pour une vitesse de vent de 8m/s elle fournira une puissance de 12MW au réseau. Le deuxième trait est le trait rouge passant par tous les sommets des courbes de puissance. Ce trait correspond à la puissance que peut fournir la même éolienne mais fonctionnant à vitesse variable. Pour une vitesse de vent de 14m/s elle fournira 44MW au réseau. Pour une vitesse de vent de 8m/s elle fournira une puissance de 13MW au réseau. On constate donc qu’une éolienne fonctionnant à vitesse variable fournit une plus grande puissance au réseau. Ce type d’éolienne nous permet un contrôle du transfert de puissance envoyé sur le réseau. L’inconvénient est que l’on utilise un système MPPT et des commandes complexes à base d’électronique de puissance pour réguler les variations de vitesse de vent et ce type de méthode a un coût. Ces éoliennes sont donc plus chères mais présentent un rendement nettement meilleur.

Fonctionnement de l’éolienne

Une éolienne est une génératrice électrique qui utilise la force motrice du vent. Pour récupérer l’énergie électrique à la sortie des pales, on passe par trois étapes.

L’énergie cinétique en énergie mécanique

La transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique de l’arbre lent par les pales : les pales fonctionnent sur le principe d’une aile d’avion, la différence de pression entre les deux faces de la pale crée une force aérodynamique mettant en mouvement l’arbre mécanique lent par la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique.

Les pales sont orientables.

L’accélération de la vitesse de l’arbre mécanique

L’accélération de la rotation de l’arbre mécanique par un multiplicateur : les pales de l’éolienne tournent lentement, à une vitesse comprise entre 5 et 15 tours par minute en moyenne. Les générateurs (dans notre cas la machine asynchrone) doivent tourner à une très grande vitesse, de l’ordre de 1000 à 2000 tours par minute pour produire de l’électricité. On intègre donc un multiplicateur pour accélérer la vitesse de l’arbre lent et ainsi obtenir l’arbre rapide (Figure 1.4).

L’énergie mécanique en énergie électrique

La création d’électricité par la machine asynchrone : l’énergie mécanique transmise par l’arbre rapide fait tourner le rotor de la machine asynchrone à grande vitesse. La rotation du rotor crée un champ magnétique tournant dans le stator. Ce champ magnétique tournant va permettre la création d’électricité. Cette électricité est fournie au réseau.

La MADA (Machine Asynchrone à Double Alimentation)

Composition de la MADA

La MADA est une génératrice permettant le fonctionnement à vitesse variable d’une éolienne en ajustant la vitesse du rotor en fonction de la vitesse du vent. La MADA est composée d’une machine asynchrone, de deux convertisseurs de puissance et en général d’un transformateur pour adapter la tension au réseau. On observe sur la Figure 1.5 que le rotor est branché au redresseur alors que le stator est directement branché au réseau. Les grandeurs alternatives au stator (courants et tensions) ont la même fréquence que celle du réseau. C’est pourquoi elles n’ont pas besoin de passer par des convertisseurs de puissance pour transférer la puissance électrique statorique au réseau. En revanche, les grandeurs alternatives à la sortie du rotor n’ont pas la même fréquence que les grandeurs alternatives du réseau. Elles dépendent de la vitesse du rotor et donc de la vitesse du vent. On utilise alors des convertisseurs de puissance pour adapter leur fréquence à celle du réseau (Tremblay, 2009).
On utilise un convertisseur statique back-to-back. Il est composé d’un redresseur, d’un bus continu et d’un onduleur. La MADA pouvant fonctionner en mode hypo-synchrone et hypersynchrone, la chaine de conversion électronique doit être bidirectionnelle (Peng, 2010).
La majeure partie de la puissance transmise de l’éolienne au réseau passe par le stator. La MADA fonctionne à vitesse variable, si la variation de la vitesse ne dépasse pas 30% audessus ou en dessous de la vitesse de synchronisme, la machine est capable de fournir une puissance allant de 0.7 à 1.3 fois la puissance nominale de cette machine. La quantité de puissance électrique fournie ou consommée par le rotor correspond à ±30% de la puissancenominale de la machine. Les convertisseurs de puissances (redresseur et onduleur) ne sont donc traversés que par 30% de la puissance nominale de la machine (e-LEE, 2011). La MADA utilise donc des convertisseurs sous dimensionnés et donc moins couteux. Cette technologie est mûre, solide et très fiable. On peut l’utiliser pour des applications à grande puissance et à vitesse variable. Elle possède actuellement un meilleur rendement que les nouvelles machines synchrones à aimants permanents.

Machine asynchrone

Initialement on utilisait principalement la machine à courant continu car elle proposait des asservissements de position précis. Actuellement, grâce à l’évolution des technologies d’électronique de puissance, la machine à courant continu est devenue moins avantageuse, car limitée en puissance, en vitesse de rotation et cher. On utilise de plus en plus la machine asynchrone. Celle-ci est robuste, elle est moins lourde (masse légère) et est plus simple à fabriquer et à entretenir (Salloum, 2007). La machine asynchrone est composée d’un rotor et d’un stator. Ils sont constitués de tôles magnétiques empilées munis d’encoches pour y insérer les différents enroulements. Le stator est similaire dans les différentes machines asynchrones. Il ne tourne pas, il est fixe et est directement relié au réseau. Le rotor tourne, il est entrainé par l’arbre mécanique de l’éolienne, lui-même entrainé par les pales de l’éolienne. Il n’y a pas de connexion entre le stator et le rotor. Le rotor entrainé tourne et crée ainsi un champ magnétique tournant dans le stator. Le stator absorbe de la puissance réactive du réseau et impose ainsi la fréquence de rotation de son champ magnétique tournant. La vitesse de ce champ magnétique est appelée vitesse de synchronisme de la machine asynchrone et est notée Ωs. L’objectif de la machine asynchrone est d’obtenir une répartition des forces magnétomotrices et du flux la plus sinusoïdale possible dans l’entrefer (Salloum, 2007). Voici une modélisation de la machine asynchrone (Électronique, 2009):

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur l’éolienne
1.2.1 Quelques chiffres
1.3 Enjeux de l’éolienne
1.3.1 Sur le plan environnemental
1.3.2 Sur le plan économique
1.4 Éoliennes à axe vertical et éoliennes à axe horizontal
1.4.1 Les éoliennes à axe vertical
1.4.2 Les éoliennes à axe horizontal
1.5 Éoliennes à vitesse fixe et éoliennes à vitesse variable
1.5.1 Les éoliennes à vitesse fixe
1.5.2 Les éoliennes à vitesse variable (type MADA ou PMSG)
1.6 Fonctionnement de l’éolienne
1.6.1 L’énergie cinétique en énergie mécanique
1.6.2 L’accélération de la vitesse de l’arbre mécanique
1.6.3 L’énergie mécanique en énergie électrique
1.7 La MADA (Machine Asynchrone à Double Alimentation)
1.7.1 Composition de la MADA
1.7.2 Machine asynchrone
1.7.2.1 La machine asynchrone à cage d’écureuil
1.7.2.2 La machine asynchrone à rotor bobiné
1.7.3 Mode de fonctionnement
1.7.4 Convertisseurs de puissances
1.7.5 Méthode de contrôle des convertisseurs
1.7.5.1 Commande scalaire
1.7.5.2 Commande vectorielle
1.7.5.3 Commande directe
1.7.6 Pollution du réseau et conséquences
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTUDE ET MODÉLISATION DE LA TURBINE ÉOLIENNE
2.1 Introduction
2.2 Orientation des pales
2.3 Modèle de la turbine éolienne
2.4 Modèle du multiplicateur
2.5 Modèle de l’arbre
2.6 MPPT (Maximum Power Point Tracking)
2.6.1 Méthode de perturbation et observation
2.6.2 Méthode de la puissance maximale
2.6.3 Méthode du lambda nominal
2.7 Modélisation de la machine asynchrone à rotor bobiné
2.7.1 Mise en équation de la machine asynchrone
2.7.1.1 Équation des tensions de la machine asynchrone dans le plan ‘abc’
2.7.1.2 Équation des flux de la machine asynchrone dans le plan ‘abc’
2.7.1.3 Équation du couple électromagnétique de la machine asynchrone dans le plan ‘abc’
2.7.2 La transformation de PARK
2.7.2.1 Calcul des tensions de la machine asynchrone dans le plan ‘dq0’
2.7.2.2 Calcul des flux de la machine asynchrone dans le plan ‘dq0’
2.7.2.3 Schéma équivalent de la machine asynchrone
2.7.3 Équations du couple électromagnétique
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 COMMANDE VECTORIELLE DU REDRESSEUR
3.1 La commande vectorielle
3.1.1 Les différents référentiels
3.1.2 Orientation du flux statorique suivant l’axe q
3.1.2.1 Calcul des flux
3.1.2.2 Calcul des tensions rotoriques
3.1.2.3 Loi de commande
3.1.2.4 Calcul du couple électromagnétique
3.1.2.5 Définition des valeurs références
3.1.2.6 Schéma de la commande
3.1.3 Orientation du flux statorique suivant l’axe d
3.1.3.1 Calcul des flux
3.1.3.2 Calcul des tensions rotoriques
3.1.3.3 Loi de commande
3.1.3.4 Calcul du couple électromagnétique
3.1.3.5 Définition des valeurs références
3.1.3.6 Schéma de la commande
3.1.4 Orientation du flux rotorique suivant l’axe d
3.1.4.1 Calcul des flux
3.1.4.2 Calcul des tensions rotoriques en fonction des tensions statoriques
3.1.4.3 Loi de commande
3.1.4.4 Calculs de puissances actives et réactives rotoriques
3.1.4.5 Définition des valeurs références
3.1.4.6 Schéma de la commande
CHAPITRE 4 COMMANDES DE L’ONDULEUR ET RÉSULTATS DE SIMULATION
4.1 Commande non linéaire
4.1.1 Modélisation dans le plan ‘abc’
4.1.2 Modélisation dans le plan ‘dq0’
4.1.2.1 Loi de commande
4.1.2.2 Définition des valeurs références
4.1.2.3 Schéma de la commande
4.2 Commande indirecte dans le plan ‘abc’
4.2.1 Calcul des courants références
4.2.2 Définition des valeurs des références
4.2.3 Schéma de commande
4.3 Commande indirecte dans le plan ‘dq0’
4.3.1 Loi de commande
4.3.2 Définition des valeurs références
4.3.3 Schéma de la commande
4.4 Résultats de simulation
4.4.1 Introduction
4.4.2 Résultat de simulation avec la commande indirecte dans le plan ‘abc’
4.4.2.1 Régime permanent
4.4.2.2 Régime dynamique
4.4.3 Résultats de simulation avec la commande indirecte dans le plan ‘dq0’
4.4.3.1 Régime permanent
4.4.3.2 Régime dynamique
4.4.4 Résultats de simulation avec la commande non-linéaire
4.4.4.1 Régime permanent
4.4.4.2 Régime dynamique
4.5 Résultats de simulation avec détérioration de tension sur le réseau
4.5.1 Détérioration de la tension sur le réseau
4.5.2 Conséquence sur la MADA de la détérioration de tension sur le réseau
4.5.3 Résultats de simulation pendant une détérioration de tension avec la commande indirecte dans le plan ‘abc’
4.5.4 Résultats de simulation pendant une détérioration de tension avec la commande non linéaire
4.5.4.1 Détérioration de la tension sur le réseau, impact sur les courants
4.5.4.2 Détérioration de la tension du réseau, impact sur les puissances
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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