GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTEMES ÉOLIENS

GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTEMES ÉOLIENS

MODÉLISATION D’UNE ÉOLIENNE

Introduction

Dans cette partie, nous aborderons donc la modélisation, sous forme d’équation, de l’éolienne au sens global, avec tous les principes d’extraction de puissance. Puis, dans un second temps, il sera présenté le principe d’extraction de la puissance maximale à vitesse variable qui prend tout son intérêt dans le cadre d’une éolienne fonctionnant à vitesse variable telle que celle étudiée ici.

Modélisation

Il est de mise de modéliser en intégralité le fonctionnement d’une éolienne dans son cas le plus global tel qu’elle a été transcrite dans la thèse (Singh, 2010). Une éolienne traite de la transformation d’énergie cinétique en énergie électrique. Afin de juger de l’efficacité d’une telle conversion, il faut connaitre la quantité d’énergie dans le vent. Les particules d’air ayant une masse « m » et ayant un déplacement a une vitesse « V » et postulant que la vitesse est la même au moment de frapper le rotor. On a alors : En analysant l’équation (2.4), il est assez évident que le paramètre prédominant est la vitesse du vent. Il apparait nettement que l’énergie est bien plus élevée à haute vitesse de vent. Également, il apparait, que du fait que la puissance soit proportionnelle à la surface balayée, doubler le diamètre du rotor va quadrupler la puissance potentiellement disponible. La densité de l’air tient également un certain rôle dans la quantité de puissance mécanique disponible, un schéma caractérisant ces différents facteurs ci-après` dans la A présent, la question qui se pose naturellement est : Comment la puissance disponible dans le vent peut être transformée en énergie électrique utile de la façon la plus optimale possible? Cela peut dépendre de la conception des pales du rotor, et de ce fait, de leurs capacités à récupérer l’énergie du vent.
Ainsi, la puissance récupérée par la turbine peut s’identifier à la puissance cinétique du vent exprimée précédemment mais dotée d’un coefficient ݌ܥ) λ, β) propre à l’éolienne tel que :

Coefficient de l’énergie éolienne

Les pales du rotor jouent un rôle important dans l’extraction de la puissance du vent. En effet, la vitesse du rotor diminue après l’extraction de la puissance, mais on ne doit pas laisser le rotor atteindre une position d’arrêt. Ce qui signifierait qu’aucune puissance ne serait extraite du vent. Afin de parvenir à une modélisation cohérente un scientifique allemand Albert Betz a essayé en 1919 d’exprimer l’action de freinage du vent sur un disque comme le rotor. Ainsi, conformément à la loi de Betz, la vitesse du vent diminue après avoir heurté les pales du rotor, la puissance captée par les pales du rotor dépend donc de la différence de vitesse du vent entre le moment juste avant et après avoir frappé les pales du rotor. On obtient la formule suivante : L’équation théorique de ܥ ௣peut nous donner tout au plus le maximum théorique pour se faire on résout l’équation (2-11) en introduisant une action de freinage sans unités : Cela indique que la puissance la plus élevée possiblement extraite est 59,3%. Par conséquent, le vent sera réduit à 1 / 3 de sa vitesse originale. Mais en pratique, la valeur maximale du coefficient de puissance efficace sera généralement comprise entre 0,4 à 0,54.

Vitesse de rotation

Le fait est que Cp n’est pas une valeur constante. Il dépend de deux données qui sont le rapport d’avance λ et l’angle d’inclinaison β « pitch ». Ainsi, pour des vitesses de vent variables, il faudrait avoir des valeurs optimales de ߣ et de β pour obtenir la plus grande valeur de Cp correspondant et ainsi extraire la puissance maximale pour toutes valeurs de vents. L’angle β sera fixé à zéro pour le moment, de ce fait pour toutes valeurs de Cpoptimal il existe ߣ௣௢௧௜௠௔௟ . Pour extraire la puissance maximale il faut contrôler notre ߣ en accord avec la vitesse du vent. Cela s’appelle le « maximum power point tracking ». Chaque éolienne a sa propre courbe caractéristique exprimant Cp en fonction de ߣ .On peut ainsi exprimer Cp de la sorte :

Région d’exploitation de turbine

Les stades opérationnels d’éoliennes peuvent être compartimentés en trois phases, 1 – Phase de maintien : La puissance du vent doit être suffisante pour vaincre les frottements et l’inertie de l’éolienne. Cela nous donne une idée sur la vitesse de début de production d’énergie. Le dispositif opérationnel région I est lié à la vitesse où la turbine commence à tourner et se déplace dans la région II. 2 – Fonctionnement normal (inférieur à la vitesse du vent moyen): à partir de la vitesse de départ la turbine suit la courbe de puissance si la régulation fonctionne correctement. Idéalement, l’éolienne doit être exploitée au maximum de ܥ .௣ Pour des vitesses de vent faible, lorsque la puissance aérodynamique produite par l’éolienne est inférieure à la puissance maximale du convertisseur de puissance, l’éolienne est exploitée au ܥ௔௠௣௫. L’angle de tangage de l’éolienne est contrôlé pour avoir la valeur maximale possible de ܥ௔௠௣௫. Comme le tour par minute change, l’angle de tangage est maintenu à sa valeur optimale. 3- Fonctionnement établit (haute vitesse de vents): la puissance captée par les pales est maintenue dans la limite, à l’aide du mécanisme de régulation d’angle de tangage. En fait, le début ne peut pas être défini à une vitesse de vent spécifique car des rafales de vent, même faibles peuvent activer le mécanisme de tangage. Comme la vitesse du vent augmente, la puissance générée par l’éolienne augmente également. Une fois le maximum du convertisseur de puissance atteint, l’angle de tangage doit être augmenté pour apporter la puissance aérodynamique. Comme l’angle de tangage est augmenté, l’éolienne fonctionne à faible rendement. Grâce à cela, la puissance mécanique d’entrée entrainant le générateur peut être facilement contrôlé. En supposant que le contrôle du pitch peut être fait instantanément, l’accélération et la décélération peuvent être faites à zéro et la vitesse peut être maintenue constante en contrôlant le ܲ௠௘௖௛ le rendant exactement égale à ܲ௘௟௘௖௧. Une capacité plus élevée du taux de tangage d’une éolienne peut diminuer l’exigence pour le générateur et le convertisseur de puissance. La capacité de variation d’angle de tangage est généralement limitée en raison de la présence d’inertie du système comme en témoigne la relation suivante:

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTEMES ÉOLIENS
1.1 Introduction
1.2 Différents types d’éoliennes
1.2.1 Éoliennes à axe vertical
1.2.2 Éoliennes à axe horizontale
1.3 Énergie cinétique et mécanique
1.4 Stratégie de fonctionnement d’une éolienne
1.5 État de l’art sur la conversion électromécanique
1.5.1 Systèmes utilisant la machine asynchrone
1.5.1.1 Machine asynchrone à cage d’écureuil
1.5.1.2 Machine asynchrone à double stator redresseur/onduleur
1.5.1.4 Machine asynchrone à double alimentation – structure de Kramer
1.5.1.5 Machine asynchrone à double alimentation – structure de Scherbius avec convertisseurs
1.5.2 Systèmes utilisant la machine synchrone
1.5.2.1 Alternateur synchrone à rotor bobiné ou à aimants
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 MODÉLISATION D’UNE ÉOLIENNE
2.1 Introduction
2.2 Modélisation
2.2.1 Coefficient de l’énergie éolienne
2.2.2 Vitesse de rotation
2.2.3 Région d’exploitation de turbine
2.3 Différentes techniques du MPPT
2.3.1 A partir de la puissance maximale
2.3.2 A partir de Beta et λnominale
2.3.3 Perturbation et observation
CHAPITRE 3 MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE D’UN SYSTÈME PMSG/REDRESSEUR/ONDULEUR (QUATRE INTERRUPTEURS)
3.1 Introduction
3.2 Modélisation de la PMSG
3.2.1 Principe de fonctionnement de la MSAP
3.2.2 Modèle généralisé de la PMSM
3.2.3 Modélisation de la MSAP dans le référentiel d-q
3.3 Modélisation et commande du redresseur
3.4 Modèle et commande de l’onduleur
3.4.1 Stratégie de commande (indirecte monophasé)
3.5 Résultats de simulation de l’ensemble
CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE D’UN SYSTÈME PMSG/REDRESSEUR/ONDULEUR (HUIT INTERRUPTEURS)
4.1 Introduction
4.2 Modélisation et stratégies de modulation de l’onduleur trois niveaux en monophasé
4.2.1 Topologie NPC du convertisseur
4.2.2 Résultats de simulation pour le filtre actif NPC (8 interrupteurs) trois niveaux
4.3 Résultats de simulation de l’ensemble avec PMSG
CHAPITRE 5 MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE D’UN SYSTÈME PMSG/REDRESSEUR/ONDULEUR (SIX INTERRUPTEURS) 5.1 Introduction
5.2 Modélisation de la topologie à «six interrupteurs» du convertisseur
5.2.1 Modélisation du convertisseur 6 interrupteurs
5.2.2 Résultats de simulation pour le filtre actif 6 interrupteurs
5.3 Résultat global
CHAPITRE 6 MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE D’UN SYSTÈME PMSG/REDRESSEUR DE VIENNE /ONDULEUR (HUIT / SIX INTERRUPTEURS)
6.1 Introduction
6.2 Modélisation et stratégies de commande du redresseur de vienne
6.2.1 Résultats de simulation pour le redresseur de vienne seul
6.3 Ensemble NPC/Vienne avec PMSG et onduleur à huit interrupteurs
6.3.1 Topologie utilisant l’onduleur huit interupteurs(NPC)
et le redresseur de Vienne
6.3.2 Topologie utilisant l’onduleur sixinterupteurs et le redresseur de Vienne 90
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES …..