Etat de l’art sur la conversion de l’énergie éolienne

Les ressources énergétiques fossiles proviennent de la combustion des matières premières comme le pétrole, le gaz et le charbon. Ces dernières sont polluantes, leurs réserves déclinantes et malheureusement non renouvelables. Par ailleurs, il existe une forte opposition politique contre le renforcement de l’énergie nucléaire dans de nombreuses parties du monde. Pour répondre à une demande mondiale continuellement croissante de l’énergie, les industriels s’investissent de plus en plus dans les énergies renouvelables [1].

Le contexte fluctuant des énergies fossiles, l’explosion de la demande mondiale en électricité et les prises de conscience environnementale, ont accentué le besoin de l’énergie propre et durable ou l’éolien occupe une place privilégiée. Fort de son potentiel mondial, celui-ci a ainsi attiré différents acteurs du monde économique et surtout de l’énergie. Ce qui se traduit par une profonde réorganisation et mutation du marché de l’éolien [02].

L’énergie éolienne

La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû indirectement à l’ensoleillement de la terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d’autres, une différence de pression est créée et les masses d’air sont en perpétuel déplacement [03] [04]. L’électricité produite par le vent à travers le monde a atteint, à la fin de 2004, 48 GW, représentant 0,57% de l’offre mondiale d’électricité totale. Le chiffre peut ne pas sembler impressionnant, mais par rapport à d’autres technologies d’énergie renouvelable, il devient clair que l’énergie éolienne est la plus prometteuse. A titre d’exemple l’énergie électrique produite par conversion éolienne reste minime sur le marché européen, soit 2,4% de sa production totale d’électricité. Dans sa nouvelle politique énergique, l’Union européenne a décidé pour rendre l’énergie éolienne, une source de production majeure d’électricité, avec une part de marché de 12% en 2020 et 20% en 2030[05]. L’Algérie compte s’investir dans le domaine de la production électrique par conversion éolienne pour atteindre 3% de la production nationale à l’horizon 2027. Dans ce cadre, le groupe Sonelgaz a confié la réalisation d’une première ferme éolienne à Adrar d’une puissance de 10 MW, au groupe français Vergnet. L’énergie produite par cette ferme, sera injectée dans le réseau d’électricité de la Wilaya d’Adrar [06].

Principe et théorie d’une éolienne

Un aérogénérateur, couramment appelé «éolienne», est un système qui capte l’énergie éolienne (énergie cinétique du vent) et la convertit en énergie électrique. D’une manière générale, une chaine de conversion éolienne est constituée d’une turbine (T), d’un multiplicateur de vitesse (M), d’une génératrice électrique (GE), généralement triphasée, et d’un circuit d’électronique de puissance (EP). Suivant l’utilisation visée, l’éolienne est alors connectée au réseau électrique ou alimente une charge autonome.

Différents types des turbines éoliennes

Les éoliennes se divisent en général en deux grands groupes selon l’axe sur lequel est montée à l’hélice :
– Eolienne à axe verticale
– Eolienne à axe horizontal.

Eolienne à axe verticale

Les aérogénérateurs à axe vertical ont été les premières structures utilisées pour la production de l’énergie électrique. Plusieurs prototypes ont vu le jour, mais rares sont ceux qui ont atteint le stade de l’industrialisation. Ils sont classés selon leur caractéristique aérodynamique en deux familles : les aérogénérateurs conçus sur la base de la portance (Aérogénérateurs à rotor de Darrieus : conçu par l’ingénieur français George Darrieus) et ceux basés sur la traînée (Aérogénérateurs à rotor de Savonius : inventé par le finlandais Siguard Savonius en 1924) .

Aérogénérateurs à rotor de Darrieus
Ce type d’aérogénérateur est basé sur le fait qu’un profil placé dans la direction d’écoulement de l’air est soumis à des forces de direction et d’intensité variables selon l’orientation de ce profil (Fig. I.3). La résultante de ces forces génère un couple moteur entraînant l’orientation du dispositif.

Aérogénérateurs à rotor de Savonius
Ils sont basés sur le principe de la traînée différentielle qui stipule qu’un couple moteur peut être obtenu par une pression différente exercée par le vent sur les parties concaves et convexes de la structure .

Avantages 
– Faible encombrement,
– Intégrable au bâtiment, esthétique,
– Démarre à de faibles vitesses de vent contrairement à l’éolienne de type Darrieus,
– Système peu bruyant,
– Pas de contraintes sur la direction du vent.
Inconvénients 
– Faible rendement,
– Masse non négligeable.

Machines synchrones à aimants permanents

Aujourd’hui, les machines synchrones représentent une partie importante du marché des convertisseurs électromécaniques d’énergie et couvrent une gamme de puissance très large qui s’étend de quelques MW jusqu’à 1GW environ. Traditionnellement, les fortes puissances restent le domaine réservé pour la production d’électricité. En fonctionnement moteur, en revanche, les puissances installées dépassent rarement quelques dizaines de MW. Le moteur synchrone fonctionnant en vitesse variable, le plus puissant connu à ce jour, à une puissance d’environ 100 MW, il est conçu pour une soufflerie de la NASA [16]. Une machine synchrone est une machine électrique dont les vitesses de rotation du rotor et du du champ magnétique tournant du stator sont égales. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique est génère soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. La position de ce champ est alors fixe par rapport au rotor, ce qui entraîne le synchronisme entre le champ magnétique tournant statorique et le rotor.

Eolienne à base de la Génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP)

Eolienne à base de la Génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP) Connecté au réseau électrique 

Le développement des matériaux magnétiques a permis la construction des machines synchrones à aimants permanents à des coûts compétitifs [19]. Les machines de ce type sont à grand nombre de pôles et permettent de développer des couples mécaniques considérables [20], [14]. Il existe plusieurs concepts de machines synchrones à aimants permanents dédiées aux applications éoliennes, des machines de construction standard (aimantation radiale) ou génératrices discoïdes (champs axial), ou encore à rotor extérieur[11] [14], [20], [21]. La solution la plus intéressante consiste à coupler le stator de la génératrice synchrone à aimants permanents à travers deux onduleurs à MLI triphasés, l’un en mode redresseur, l’autre en mode onduleur réseau (figure. I.22). Dans ce cas, l’interfaçage avec le réseau peut être entièrement contrôlé via le convertisseur connecté à ce réseau, tandis que celui connecté à la génératrice permet de contrôler la puissance générée par celle-ci. De plus, ce type de configuration permet d’assurer un découplage entre le comportement du générateur éolien et le comportement du réseau [22]. Toutefois, les deux convertisseurs doivent être dimensionnés pour la puissance nominale de la génératrice, ce qui constitue le principal inconvénient de cette configuration[07].

Table des matières

Introduction
Chapitre I Etat de l’art sur la conversion de l’énergie éolienne
Introduction
I.1 L’énergie éolienne
I.1.1 Principe et théorie d’une éolienne
1.2 Différents types des turbines éoliennes
I.1.2.1 Eolienne à axe verticale
a)Aérogénérateurs à rotor de Darrieus
b) Aérogénérateurs à rotor de Savonius
I.1.2.2 Eolienne à axe horizontal
I.1.3 Eléments constitutifs d’une éolienne
I.1.4 Modes de fonctionnement des éoliennes
I.1.4.1 Conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique
I.1.5 Les éoliennes à vitesse fixe
I.1.6 Les éoliennes à vitesse variable
I.2 Aérogénérateur synchrone
I.2.1 Machine synchrone à rotor bobiné
I.2.2 Machines synchrones à aimants permanents
I.2.2.1 Principe de fonctionnement de la MSAP
I.2.2.2 Machine synchrone à aimants permanents à flux axial
I.2.2.2.1 Types de machines synchrones à aimants permanents à flux axial
I.2.2.2.2 MSAP discoïde avec deux stators et un rotor
I.2.2.2.3 MSAP discoïde avec deux rotors et un stator
I.2.2.2.4 MSAP discoïde unilatérale avec contrepoids du côté rotor
I.2.2.2.5 MSAP discoïde unilatérale avec contrepoids du côté stator
I.2.2.2.6 Machine synchrone à aimants permanents à rotor extérieur
I.2.3 Eolienne à base de la Génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP)
I.2.3.1 Eolienne à base de la Génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP) Connecté au réseau électrique
I.2.3.2 Les éoliennes à base de la génératrice synchrone à aimant permanant en fonctionnement isolé et autonome
A. Structure avec redresseur à diodes
B. Structure avec redresseur à diodes et hacheur dévolteur
C. Structure avec redresseur à diodes et hacheur en pont
D. Structure avec redresseur à MLI
I.2.4 Avantages des éoliennes à base des machines synchrone à aimants permanents par rapport aux autres types de machines
Conclusion
Chapitre II Modélisation des éléments de la chaine éolienne
Introduction
II.1 La turbine éolienne
II.1.1 Conversion de l’énergie éolienne
II.1.1.1 Conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
II.1.1.1.1 Loi de Betz
II.1.1.1.2 La vitesse spécifique de vitesse (Tip-Speed-Ratio)
II.1.1.1.3 Coefficient de puissance
II.1.1.1.4 Coefficient de couple
II.1.1.1.5 Courbes caractéristiques des turbines éoliennes
II.1.2 Modélisation d’une turbine éolienne
II.1.2.1 Hypothèses simplificatrices pour la modélisation mécanique de la turbine
II.1.2.2 Modèle du profil de vent
II.1.2.3 Modèle de la turbine
II.1.2.4 Modèle des pales
II.1.2.5 Modèle du multiplicateur de vitesse
II.1.2.6 Equation dynamique de l’arbre de transmission
II.1.3 Stratégies de commande de la turbine éolienne
II.1.3.1 Système de contrôle de l’aéroturbine
II.1.3.2 Méthodes de recherche du point maximum de puissance
II.1.3.3 Maximisation de la puissance avec asservissement de vitesse
II.1.4 Système de régulation de la turbine éolienne
II.1.4.1 Calcul des paramètres du régulateur PI
II.1.4.2 Calcul des paramètres du régulateur IP
II.1.4.3 Résultats de simulation PI
II.2 La génératrice synchrone à aimants permanents
II.2.1 Modélisation de la GSAP
II.2.1.1 Equations électriques
II. 2.1.1.1 Equations électriques dans le repère de Park (d, q)
II. 2.1.1.2 Equations magnétiques
II. 2.1.1.3 Expression du couple électromagnétique
II. 2.1.1.4 Equations mécaniques
II. 2.2 Commande vectorielle de la MSAP
II. 2.3 Commande vectorielle avec découplage de la régulation des courants par compensation
II. 2.3.1 Calcul du régulateur PI
II. 2.4. Résultats de simulation
II.3.1 Modélisation de la liaison au réseau
II.3.1.1 Modélisation du bus continu
II.3.1.2 Modélisation du filtre
II.3.1.2.1 Modélisation du filtre dans le repère naturel
II.3.2.2.2 Modélisation du filtre dans le repère de Park
II.3.4 Model du transformateur
II.3.4.1 Modélisation du transformateur dans le repère naturel
II.3.4.2 Modélisation du transformateur dans le repère de Park
Conclusion
Chapitre III Etude d’une chaine de conversion éolienne en mode isolé
Introduction
III.1 Chaîne de conversion éolienne en mode isolé
III.2 Principe de fonctionnement
III.3 Stratégies de contrôle de la chaine de conversion
III.3.1 Contrôle de la vitesse de la GSAP
III.3.2 Contrôle de la tension du bus continu
III.3.3 Contrôle du convertisseur coté charge utilisant la commande DTC
III.3.3.1 Principe du contrôle direct du flux
III.3.3.1.1 Contrôle du vecteur flux statorique
III.3.3.2 Principes généraux du contrôle vectoriel de couple
III.3.3.2.1 Modèle de la machine dédié au DTC
III. 3.3.3 Choix du vecteur de tension
III. 3.3.4 Les estimateurs
III. 3.3.4.1 Estimation du flux statorique
III. 3.3.4.2 Estimation du couple électromagnétique
III. 3.3.5 Elaboration du vecteur de commande
III. 3.3.5.1 Elaboration du contrôleur de flux
III.3.3.5. 2 Elaboration du contrôleur de couple
III. 3.3.5.3 Correcteur à deux niveaux
III. 3.3.5.4 Comparateur à trois niveaux
III. 3.3.6 Elaboration de la table de commutation (stratégie de commutation)
III. 3.3.7 Structure générale du contrôle direct de couple
III.4 Résultats de la simulation
Conclusion
Chapitre IV Etude d’une chaine de conversion éolienne connecté au réseau
Introduction
IV.1 Description du système éolien connectée au réseau
IV.2 Stratégies de contrôle de la chaine de conversion
IV.3 Contrôle de la liaison au réseau
IV.3.1 Contrôle des courants par la commande du convertisseur de puissance
IV.3.2 Contrôle des courants envoyés au réseau
IV.3.2.1 Contrôle en boucle fermée des courants
IV.3.3 Régulation des puissances actives et réactives
IV.3.4 Boucle à verrouillage de phase PLL
IV.4 Résultats de la simulation de la chaine globale
Conclusion
Conclusion

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