Etude du système de conversion électromécanique d’une microcentrale hydroélectrique à vitesse variable

L’étude présentée dans cette thèse concerne les sources d’énergie renouvelable et, plus particulièrement, les microcentrales hydroélectriques à vitesse variable. Celles-ci représentent une voie de développement majeur pour atteindre l’objectif de l’Union
Européenne : 20% de la consommation énergétique totale, à l’horizon 2020, seront des énergies renouvelables. Les applications visées par la micro hydraulique sont l’alimentation des sites isolés, non électrifiés, ainsi que la fourniture d’appoint au réseau interconnecté, notamment par l’association avec d’autre sources d’énergie renouvelable (comme, par exemple, l’éolien). Les systèmes de conversion électromécanique utilisés couramment dans les microcentrales hydroélectriques reposent sur les machines synchrones à rotor bobiné ou les machines asynchrones à cage, qui possèdent une configuration simple, mais qui peuvent assurer un fonctionnement efficace seulement à l’aide des dispositifs de contrôle mécanique ou électrique. Le système de conversion électromécanique, proposé dans cette thèse, utilise une machine asynchrone à double alimentation (MADA), pilotée par le rotor. La MADA est accouplée sur le même arbre avec une machine synchrone à aimants permanents (MSAP), débitant sur le circuit rotorique de la MADA. Deux convertisseurs à MLI, réversibles, en mode ‘back-to-back’, réalisent l’interface électrique entre les deux machines. La MSAP, ainsi que les convertisseurs ne sont dimensionnés que pour la puissance de glissement du la MADA, c’est-à-dire 20 à 25% de sa puissance nominale, ce qui limite le coût du système. Par ailleurs, les aimants permanents permettent de se dispenser d’une source auxiliaire lors de la phase de démarrage du système électromécanique. L’objectif général de cette thèse est l’étude, par simulations dynamiques et expérimentations sur un banc d’essais de laboratoire, du fonctionnement de ce système de conversion électromécanique d’une micro hydrocentrale connectée sur réseau ou sur charge isolée. En outre, ce système électromécanique doit répondre aux nécessités d’association de la microcentrale hydroélectrique avec une centrale éolienne et un dispositif de stockage d’énergie.

Présentation du contexte 

Le contexte actuel de dérégulation de l’électricité, les interrogations et les inquiétudes concernant les conséquences environnementales de la production d’énergie électrique au moyen de combustibles fossiles ou radioactifs a déclenché depuis quelques années un véritable enthousiasme en faveur de l’utilisation des énergies renouvelables, comme en témoignent les nombreux articles de recherche et de presse grand public qui paraissent régulièrement. L’hydroélectricité, qui existe depuis le début du vingtième siècle, représente à elle seule plus de 94 % de la production électrique mondiale à base d’énergies renouvelables [1], [2]. On distingue la « grande hydraulique » (86%), terme regroupant les aménagements hydroélectriques de forte puissance – au delà dizaine de MW – de la « petite hydraulique » (8,3%) regroupant les centrales de puissance inférieure. Cette deuxième catégorie d’aménagements est elle-même généralement subdivisée en petites, mini et micro centrales [2], [3]. Cette dernière distinction est à nouveau réalisée suivant le critère de la puissance et elle varie à la fois suivant les pays et les auteurs. Néanmoins, on peut considérer d’après [3], qu’en France toute centrale hydraulique de puissance inférieure à 5 MW peut être appelée micro centrale, et, entre 5 et 10MW, petite centrale, le terme de mini centrale n’étant alors pas usité. Cette dernière dénomination est d’usage notamment aux Etats-Unis pour des puissances comprises entre 100 kW et 1 MW. Le terme de pico centrale est également évoqué pour des puissances inférieures à 100 kW [3] mais il est a priori usité moins couramment. On note, par conséquent, qu’il n’y a pas réellement de consensus sur les termes et que les frontières entre les différentes gammes de petite hydroélectricité sont floues. Ces disparités s’étendent même à la frontière entre petite et grande hydraulique dont la valeur peut varier de 10 MW, seuil cité précédemment et désormais relativement admis notamment en France et plus généralement en Europe, à 25 MW au Canada ou encore 30MW aux Etats-Unis.

Le développement des équipements dans le cadre de la grande hydraulique est désormais fortement limité en raison de la rareté des sites disponibles, des conséquences pour l’intégrité du paysage, pour la qualité de l’eau ainsi que pour la faune subaquatique que peuvent engendrer de telles installations[3]. En revanche, la petite hydraulique possède un fort potentiel de développement et on prévoit qu’elle tiendra une place importante dans la production électrique future par énergies renouvelables, les applications visées étant l’alimentation de sites isolés, non électrifiés, ainsi que la fourniture d’appoint au réseau interconnecté [1], [3], [4]. Les petits aménagements hydroélectriques cumulent de nombreux avantages qui en font des sources de revenus financiers particulièrement rentables pour les producteurs indépendants, avantages dont nous reprenons les plus significatifs ci-dessous: Il est aisé de trouver un site potentiel d’installation pour une petite centrale, cette dernière ne nécessitant que peu d’infrastructures et n’ayant pas ou peu d’exigences quant à la chute du cours d’eau dont elle turbine le débit. La taille modeste des installations affecte peu l’esthétisme du paysage et des aménagements spécifiques permettent d’épargner les poisons. De nombreuses centrales ont dores et déjà été construites au cours du vingtième siècle mais elles ont souvent été abandonnées dans les années 50 parce que jugées trop vétustes et trop peu compétitives par rapport à leurs homologues de grandes tailles et à certaines centrales thermiques [5]. Des installations ont alors fait l’objet d’une reconversion, notamment en moulin à grain. Etant donné le regain d’intérêt pour la production dispersée d’électricité, il s’avère intéressant, car relativement peu onéreux, de les rénover.

Il est possible d’adjoindre des turbines hydrauliques à des installations destinées à une toute autre application. Ceci s’avère judicieux par exemple dans le cas de stations de retraitement des eaux usées dont on doit abaisser le niveau de pression préalablement à leur traitement. Le turbinage de l’eau, en lieu et place d’un détendeur (« brise charge »), permet de mettre à profit l’énergie qui auparavant était perdue et ceci, à des coûts relativement bas, la centrale hydroélectrique utilisant les infrastructures et les canalisations de l’équipement initial [3], [6]. Cette solution technique, valable pour tout système hydraulique dont on doit dissiper une partie de l’énergie, est appliquée, entre autres structures, sur le réseau d’eau potable et dans des centrales de dessalement de l’eau de mer pour des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de kilowatts.

Microcentrale hydroélectrique 

Définition 

Une petite centrale hydraulique (microcentrale) est une installation de production d’énergie basée sur l’utilisation de la force hydraulique et dont la puissance est inférieure à 300 kW. L’énergie hydraulique peut provenir:
– d’un fleuve ou d’une rivière;
– d’une source;
– d’un réseau d’approvisionnement en eau potable;
– d’un réseau d’évacuation d’eaux usées ou de drainages;
– de procédés industriels dans lesquels la pression d’un liquide est détruite dans un organe de réglage, vanne ou autre.

La production d’énergie par une centrale hydraulique – qu’elle soit grande ou petite – est fonction du débit de l’eau et de la hauteur de chute (différence de pression) à disposition. Les débits des microcentrales peuvent représenter quelques litres ou plusieurs mètres cubes à la seconde. A partir de deux mètres, une chute avec un débit suffisant est considérée comme exploitable. Par ailleurs, des hauteurs de 500 mètres (pression 50bars) ou plus peuvent produire une quantité intéressante d’énergie, même si le débit est faible (5 l/sec).

Application 

L’importance des microcentrales apparaît donc surtout au niveau régional:
– pour de nombreuses communes, fabriques ou moulins, elles constituent une source d’énergie d’appoint avantageuse;
– elles peuvent être intégrées dans des projets à usages multiples et en améliorer la couverture des frais par la production d’énergie. Par exemple: dans le cadre du renouvellement d’une adduction d’eau potable, lors de la construction d’ouvrages de prévention des inondations ou destinés à faciliter la migration des poissons;
– leur construction, rénovation et entretien représentent un potentiel de travail pour les entreprises locales;
– elles augmentent la sécurité d’approvisionnement de certaines entreprises comme les moulins à farine qui peuvent ainsi fonctionner même en cas de panne de réseau;
– elles constituent une alternative avantageuse à de longues lignes électriques pour alimenter des habitations, fermes, hôtels ou cabanes isolées en région de montagne;
– elles tirent parti du potentiel de force hydraulique sans nuire à l’environnement;
– de par leur petite taille et leur simplicité, elles ont une fonction didactique puisqu’elles permettent à nombre de visiteurs de prendre conscience des problèmes pratiques de la production d’énergie.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Introduction
1.1. Présentation du contexte
1.2. Situation de l’hydroélectricité en Roumanie
1.3. Microcentrale hydroélectrique
1.3.1. Définition
1.3.2. Application
1.3.3. Classification
1.3.4. Les éléments d’une microcentrale hydroélectrique
1.4. Turbines à action
1.4.1. Principe de fonctionnement
1.4.2. Turbine Pelton
1.4.3. Turbine Crossflow
1.5. Turbines à réaction
1.5.1. Principe de fonctionnement
1.5.2. Turbine Francis
1.5.3. Turbines hélice et Kaplan
1.6. Sélection d’un ou plusieurs types de turbines
1.7. Les typologies actuelles des groupes de conversion électromécanique dans la structure d’une microcentrale hydroélectrique
1.7.1. Génératrice synchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau interconnecté (débit hydraulique réglable)
1.7.2. Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau interconnecté (débit hydraulique réglable)
1.7.3. Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau (cas d’un débit hydraulique non réglable)
1.8. Système de conversion électromécanique proposé dans la structure d’une microcentrale hydroélectrique
1.9. Références
Chapitre 2 Modélisation et simulation du système de conversion électromécanique d’une microcentrale hydroélectrique à vitesse variable
2.1 Introduction dans la modélisation des machines électriques de la structure d’une microcentrale hydroélectrique
2.1.1 Axes des repères classiques
2.1.2 Axes des repères dq
2.1.3 Axes des repères
2.2 Modélisation du système de conversion électromécanique de la structure d’une microcentrale hydroélectrique
2.2.1. Turbine hydraulique
2.2.2. Ligne d’arbre
2.2.3. Machine synchrone à aimants permanents (MSAP)
2.2.4. Convertisseurs électroniques de puissance
2.2.5. Circuit de bus continu
2.2.6. Machine asynchrone à double alimentation (MADA)
2.3. Modélisation et simulation du système de conversion électromécanique d’une microcentrale hydroélectrique fonctionnant sur charge isolée
2.3.1. Modélisation
2.3.2. Résultats de simulation
2.4. Modélisation et simulation du système de conversion électromécanique d’une microcentrale hydroélectrique fonctionnant sur réseau
2.4.1. Modélisation
2.4.2. Résultats de simulation
2.5. Contrôle direct de puissance (CDP)
2.5.1. Présentation et modélisation
2.5.2. Résultats de simulation
2.6. Détection d’îlotage
2.6.1. Généralités
2.6.2. Résultats de simulation
2.7. Conclusions
2.8. Références
Chapitre 3 Banc d’essais et résultats expérimentaux sur le système de conversion électromécanique d’une microcentrale hydroélectrique à vitesse variable
3.1. Description du banc d’essais
3.2. Composants du banc d’essais
3.2.1. Emulateur de turbine hydraulique
3.2.2. Machine synchrone à aimants permanents (MSAP)
3.2.3. Machine asynchrone à double alimentation (MADA)
3.2.4. Connexion sur réseau ou sur charge isolée
3.3. Compatibilité électromagnétique
3.4. Résultats expérimentaux du fonctionnement sur charge isolée
3.5. Résultats expérimentaux du fonctionnement sur réseau
3.6. Résultats expérimentaux du fonctionnement sous CDP
3.7. Résultats expérimentaux concernant la détection d’îlotage
3.8. Conclusions
3.9. Références
Conclusion générale

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