Etat de l’art sur les systèmes de conversion d’énergie éolienne

La croissance de la consommation d’énergie sous toutes ses formes et les effets polluants associés, principalement causés par la combustion des énergies fossiles, sont au cœur de la problématique du développement durable et du soin de l’environnement dans une discussion pour l’avenir de la planète. En effet, le secteur électrique est le premier consommateur d’énergie primaire et les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles [1]. Il est techniquement et économiquement capable de faire des efforts importants pour réduire les atteintes de l’activité humaine sur le climat et l’environnement. Une des possibilités est d’accroître le taux de production d’électricité à partir de ressources de type non-fossiles et renouvelables, et surtout l’énergie éolienne [1]. L’utilisation d’une éolienne à vitesse variable a permis d’exploiter le maximum de puissance en provenance de la turbine pour une certaine plage de vitesse du vent en utilisant des techniques de commande avancée telle que MPPT [2]. Actuellement, le système éolien à vitesse variable basé sur la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) est le plus utilisé dans les fermes éoliennes terrestres. Son principal avantage, et non des moindres, est d’avoir ses convertisseurs statiques triphasés dimensionnés pour une partie de la puissance nominale de la MADA, ce qui en fait un bénéfice économique important par rapport à d’autres solutions possibles de conversion électromécanique (machine synchrone à aimants permanents par exemple). En effet, la MADA permet un fonctionnement sur une plage de vitesse de ± 30 % autour de la vitesse de synchronisme, garantissant ainsi un dimensionnement réduit des convertisseurs statiques car ceux-ci sont connectés entre le bobinage rotorique de la MADA et le réseau électrique [3]. Afin d’obtenir avec la machine asynchrone à double alimentation des performances semblables à celle de la machine à courant continu, il est nécessaire d’appliquer la commande vectorielle par orientation du flux afin d’assurer le contrôle du flux et celui du courant générant le couple électromagnétique. La commande vectorielle basée sur les régulateurs classiques (réglage à action proportionnelle, intégrale et dérivée), ne permet pas dans tous les cas de maîtriser les régimes transitoires, et en général, les variations paramétriques de la machine. Cependant, il existe des commandes modernes qui s’adaptent mieux avec ces exigences et qui sont moins sensibles et robustes [4].

Etat de l’art sur les systèmes de conversion d’énergie éolienne 

Ces dernières années, l’intérêt d’utilisation d’énergies renouvelables ne cesse d’augmenter, car l’être humain est de plus en plus concerné par les problèmes environnementaux. Parmi ces énergies, on trouve l’énergie éolienne. Les caractéristiques mécaniques de l’éolienne, l’efficacité de la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique est très importante. Là encore, de nombreux dispositifs existent et, pour la plupart, ils utilisent des machines synchrones ou asynchrones. Les stratégies de commande de ces machines et leurs éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettre de capter un maximum d’énergie sur une plage de variation de vitesse du vent la plus large possible, ceci dans le but d’améliorer la rentabilité des installations éoliennes. Ces aérogénérateurs, généralement à axe horizontal, fonctionnent à vitesse variable permettant l’augmentation de la puissance produite. Le développement des convertisseurs statiques et leur commande a permis le contrôle des puissances produites par ces aérogénérateurs [7].

Le vent

Sous l’action des différences de pression atmosphérique continuellement variables qui existent sur notre planète, l’air ne peut jamais être au repos mais se déplace pratiquement en permanence. Le courant correspondant constitue le vent. Le vent est défini par sa vitesse .

Direction du vent
Le vent souffle en principe des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Aux latitudes moyennes et aux grandes latitudes, sa direction est cependant modifiée du fait de la rotation de terre. Le vent devient alors parallèle aux isobares au lieu de leur être perpendiculaire.

Dans l’hémisphère nord, le vent tourne dans le sens contraire des aiguilles d’une montre autour des aires cycloniques et dans le sens direct autour des aires anticycloniques. Dans l’hémisphère sud, les sens sont inversés par rapport aux précédents [8].

Expression du vent en un point fixe

La vitesse du vent en un point ?0 (?) peut être décomposée en une somme d’une composante moyenne V (lentement variable) et d’une composante variable représentant les fluctuations :
?0 (?) = ? + ?(?).
Avec ? : Vitesse moyenne du vent.
?(?) : Les fluctuations (turbulences).

Atlas de la vitesse du vent

La carte des vents de l’Algérie,  Les vitesses moyennes annuelles obtenues varient de 2 à 6.5 m/s. On remarque qu’à l’exception de la région côtière (moins Bejaia et Oran), du Tassili et de Beni Abbes, la vitesse du vent moyenne est supérieure à 3 m/s [9]. En fait, la région centrale de l’Algérie est caractérisée par des vitesses du vent variant de 3 à 4 m/s, et augmente au fur et à mesure que l’on descend vers le sud-ouest. Le maximum est obtenu pour la région d’Adrar avec une valeur moyenne de 6.5 m/s. Cependant, nous pouvons observer l’existence de plusieurs microclimats où la vitesse excède les 5 m/s comme dans les régions de Tiaret, Tindouf et Oran.

Energie éolienne

L’énergie éolienne est une énergie « renouvelable » non dégradée, géographiquement diffuse, et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée). De plus, c’est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu’à 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les phénomènes de turbulences [10]. Un aérogénérateur, plus communément appelé éolienne, est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice.

Principe de conversion de l’énergie éolienne

Sous l’effet du vent, le rotor tourne. Dans la nacelle, l’arbre principal entraine un générateur qui produit de l’électricité. La vitesse de rotation du rotor doit être augmentée par un multiplicateur de vitesse jusqu’à environ 1500 tr/min pour une machine à 2 paires de pôles, vitesse nécessaire au bon fonctionnement du générateur. Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée, tout en permettant au rotor de l’éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent. La tension de l’électricité produite par le générateur est ensuite élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l’intérieur du mât.

Principaux composants d’une éolienne

Il existe plusieurs configurations possibles d’aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne « classique » est généralement constituée de trois éléments principaux :

➤ Le mât : généralement un tube d’acier ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur.
➤ La nacelle : regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s’ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l’éolienne.
➤ Le rotor : formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.

Les rotors à vitesse fixe sont souvent munis d’un système d’orientation de la pale permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d’écureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d’être connectée directement au réseau sans dispositif d’électronique de puissance. Ce système allie ainsi simplicité et faible coût.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Etat de l’art sur les systèmes de conversion d’énergie éolienne
I.1. Introduction
I.2. Le vent
I.2.1. Direction du vent
I.2.2. Expression du vent en un point fixe
I.2.3. Atlas de la vitesse du vent
I.2.4. Atlas de la vitesse moyenne saisonnière du vent
I.2.5. Vitesse du vent
I.3. Energie éolienne
I.3.1. Principe de conversion de l’énergie éolienne
I.3.2. Principaux composants d’une éolienne
I.3.3. Classification des éoliennes
I.3.4. Différents types d’éolienne
I.3.4.1. Eoliennes à axe horizontal
I.3.4.2. Eoliennes à axe vertical
I.3.5. Avantages et inconvénients des éoliennes
I.4. Modes de fonctionnement de l’éolienne
I.4.1. Mode autonome
I.4.2. Eolienne connectée au réseau
I.4.2.1. Vitesse fixe
I.4.2.1.1. Machine asynchrone à cage
I.4.2.1.2. Machine asynchrone à double stator
I.4.2.2. Vitesses variables
I.4.2.2.1. Eolienne à machine asynchrone à cage
I.4.2.2.2. Eolienne à machine asynchrone à double alimentation
I.4.2.3. Avantages et inconvénients des éoliennes à vitesse fixe et des éoliennes à vitesse variable
I.5. Topologie et emploi des machines asynchrones à double alimentation
I.5.1. Description de la machine asynchrone à double alimentation
I.5.2. Modes de fonctionnement de la MADA
I.5.2.1. Fonctionnement en mode moteur hypo-synchrone
I.5.2.2. Fonctionnement en mode moteur hyper-synchrone
I.5.2.3. Fonctionnement en mode générateur hypo-synchrone
I.5.2.4. Fonctionnement en mode générateur hyper-synchrone
I.5.3. Classification de la MADA
I.5.3.1. MADA Simple (rotor bobiné)
I.5.3.2. Machine à double alimentation en cascade
I.5.3.3. Machine a double alimentation sans balais
I.6. Aperçu sur les configurations de la MADA à rotor bobiné
I.6.1. Fonctionnement en moteur
I.6.1.1. Première configuration : Stator alimenté par le réseau, rotor alimenté par un onduleur
I.6.1.2. Deuxième configuration : Stator alimenté par le réseau, rotor alimenté par un cycloconvertisseur
I.6.1.3. Troisième configuration : Stator alimenté par onduleur, rotor alimenté par un onduleur
I.7. Principe du fonctionnement de la MADA en génératrice à vitesse variable
I.8. Avantages et inconvénients de la MADA
I.9. Domaines d’application de la MADA
I.10. Conclusion
Chapitre II Modélisation et commande d’un système éolien à vitesse variable basé sur une MADA
II.1. Introduction
II.2. Description du système étudié
II.3. Modélisation et stratégies de commande de la turbine éolienne
II.3.1. Loi de Betz
II.3.2. Modélisation de la turbine éolienne
II.3.2.1. La conversion aérodynamique
II.3.2.2. Modèle du Multiplicateur
II.3.2.3. Equation mécanique de l’arbre
II.3.2.4. Schéma bloc du modèle de la turbine
II.3.2.5. Modèle du système d’orientation des pales
II.3.3. Stratégie de commande de la turbine
II.3.3.1. Les différentes zones du fonctionnement de l’éolienne à vitesse variable
II.3.3.2. Technique d’extraction du maximum de puissance
II.3.3.2.1. Commande dans la zone II (optimisation de la puissance)
II.3.3.2.2. Principe de la MPPT
II.3.3.2.3. Commande indirecte de vitesse (sans asservissement de vitesse)
II.3.4. Résultats de simulation
II.3.4.1. Interprétations des résultats
II.4. Mise en équation du MADA
II.4.1. Modèle mathématique de la MADA
II.4.1.1. Equations électriques
II.4.1.2. Equations magnétiques
II.4.1.3. Les équations de tension
II.4.1.4. Équations magnétiques
II.4.2. Mise sous forme d’équation d’état
II.4.3. Résultats de simulation du MADA
II.4.3.1. Fonctionnement moteur
II.4.3.1.1. Interprétations des résultats
II.4.3.2. Fonctionnement générateur
II.4.3.2.1. Interprétations des résultats
II.5. La commande vectorielle de la machine à double alimentation
II.5.1. Introduction
II.5.2. Principe de la commande vectorielle
II.5.3. Modèle de la GADA à flux statorique orienté
II.5.3.1 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques
II.5.3.2.Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques
II.5.3.3. Type des régulateurs utilisés
II.5.3.4. Commande indirecte en boucle fermée
II.5.4. Résultats de simulation du système
II.5.4.1. Sans turbine
II.5.4.2. Avec turbine
II.5.4.3. Interprétation des résultats
II.6. Cascade : Turbine- Redresseur MLI – onduleur MLI – GADA
II.6.1. Onduleur de tension
II.6.1.1 Modélisation de l’onduleur de tension triphasé
II.6.1.2. Simulation d’onduleur MLI
II.6.2. Redresseur MLI
II.6.2.1. Principe de fonctionnement
II.6.2.2. Modélisation de redresseur
II.6.2.3 Régulation en cascade du redresseur à MLI dans le repère (d, q)
III.6.2.3.1. Modélisation dans le repère (d, q)
II.6.2.4. Résultants de simulation
II.6.2.4.1.Interprétation des résultants
II.7. Conclusion
Chapitre III Commande par Mode Glissant Flou d’un système éolien à base d’une MADA
III.1. Introduction
III.2. Historique de la commande par mode glissant
III.3. Objectif de la commande par mode glissant
III.4. Principe et concept de base de la commande par mode glissant
III.5. Régimes du mode glissant
III.5.1. Régime glissant idéal
III.5.2. Régime glissant réel
III.6. Les différentes structures de la commande par mode glissant
III.6.1. Structure par commutation au niveau de l’organe de commande
III.6.2. Structure par commutation au niveau d’une contre réaction d’état
III.6.3. Structure de régulation avec ajout de la commande équivalente
III.7. Condition d’existence du mode glissant
III.8. Définition des systèmes à structure variable
III.9. Conception de l’algorithme de commande par mode glissant
III.9.1. Choix de la surface de glissement
III.9.2. Conditions d’existence et de convergence du régime glissant
III.9.2.1. La fonction discrète de commutation
III.9.2.2. La fonction de Lyapunov
III.9.3. Détermination de la loi de commande
III.10. Elimination du phénomène du chattering
III.11. Application de la commande par mode glissant au contrôle de la puissance active et réactive du GADA
III.11.1. Modèle de la GADA
III.11.1.1 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques
III.11.1.2. Relations de la dérivée de courants rotoriques
III.11.2. La commande par mode glissant des puissances active et réactive du GADA
III.11.2.1. Choix des surfaces de glissements
III.11.2.2. Conditions de convergence
III.11.2.3. Loi de commande par mode glissant
III.11.2.3.1. Contrôle de la puissance active
III.11.2.3.2. Contrôle de la puissance réactive
III.11.3. Résultats de simulation du système global
III.11.3.1. Résultats de simulation du système sans convertisseur
III.11.3.2. Résultats de simulation du système avec convertisseur
III.11.3.3. Interprétation des résultats
Conclusion

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