LA COMMANDE INDIVIDUELLE DU CALAGE DES PALES

LA COMMANDE INDIVIDUELLE DU CALAGE DES PALES

LA MODÉLISATION AÉROÉLASTIQUE

L’environnement donne lieu aux oscillations de îa structure d’une éoîienne à cause des variations du vent, de l’action des vagues et des effets de la gravité. Ce chapitre explique la physique des éoliennes dans leur environnement et les modèles mathématiques qui représentent les interactions de la structure, l’aérodynamique et le système de contrôle, dont l’ensemble est connu sous le nom de la dynamique aéroélastique. On ne tient compte ni de la dynamique des interactions hydrodynamiques, ni des effets dynamiques dans l’évolution du couple de la génératrice électrique. Le chapitre commence en introduisant la dynamique aéroélastique qui s’applique aux basses fréquences, puis décrit les modèles mathématiques dans FAST et HAWC2. Le NREL Offshore Baseline Turbine^’85, d’une puissance nominale de 5MW, sert comme cas d’étude dans ce travail. Son rotor a un diamètre de 126 m, la hauteur de sa tour est de 90 m et elle est contrôlée en vitesse variable et en calage. En principe, îe modèle représente une machine avec les propriétés semblables à la machine REpower 5M.

La physique des éoliennes

Les éoîiennes transforment l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. Cette section résume les étapes du processus, qui est une dynamique continue entre l’aérodynamique, la structure et le système de contrôle.

L’aérodynamique

Les pales des éoliennes sont des profils aérodynamiques tournants conçues pour produire de îa portée et donc du couple, à partir de l’écoulement de Fair qui les entoure. Dans la perspective d’une moyenne temporelle, le rotor agit comme un disque sustentateur, qui donne lieu à une chute de pression à travers le rotor et à un ombrage qui traîne dans la direction de l’écoulement. À cause de l’extraction de l’énergie, l’écoulement est ralenti par la présence de l’éolienne et, puisque les forces doivent être finies, ce ralentissement est distribué dans la direction principale de l’écoulement. La forme des profils produit une circulation autour des pales et cette circula tion génère un tourbillon continu au bout et à la racine de chaque pale. Ces tourbillons traînent dans l’ombrage et ont pour effet de diminuer la portée produite aux extrémités des pales.

L’induction dynamique

On appelle induction le ralentissement de l’écoulement qui se produit par la perte de l’énergie dans l’écoulement. Quand la vitesse moyenne du vent ou les angles de calage des pales changent dans le temps, l’établissement de l’ombrage et donc l’induction, créé une dynamique. On peut comprendre cette dynamique comme intermédiaire entre deux cas idéaux : le premier est celui où la vitesse du vent dans le plan du rotor prend immédiatement la valeur qu’elle atteindrait en équilibre (l’ombrage équilibré) et le second est celui où le rotor n’a pas d’effet sur la perturbation de la vitesse du vent (l’ombrage fixe). Dans les cas où l’induction est élevée, normalement aux basses vitesses du vent, la situation tend plus vers l’ombrage fixe, puisque les vitesses du vent dans l’ombrage ne sont pas assez élevées pour atteindre un équilibre pendant les variations de l’écoulement. Quand l’induction est moins élevée, ce qui arrive quand l’angle de calage et donc la vitesse du vent, est plus élevée, l’équilibre s’établit plus rapidement et la situation tend plutôt vers l’ombrage équilibré.

L’aérodynamique transitoire

Les effets de l’induction dynamique sont importants dans un temps caractéristique de l’ordre du rayon du rotor divisé par la vitesse nominale du vent, tandis que souvent, les pales vivent des conditions beaucoup plus transitoires, celles-ci ayant un temps caractéristique de l’ordre de la corde du profil divisée par la vitesse locale du vent relative à la pale. Normalement, cette dernière durée de temps est d’un ordre plus rapide que le temps caractéristique d’intérêt dans l’induction dynamique^101. Afin de mieux comprendre cette aérodynamique transitoire, on pose les variations dans l’écoulement comme les déplacements du profil autour de l’axe qui longe la pale, dans l’axe parallèle à la corde du profil et dans l’axe perpendiculaire à la corde (voir la figure 1.2). Si l’écoulement reste attaché au profil, la circulation s’ajuste constamment aux changements dans l’angle d’attaque, ce qui donne lieu à un tourbillon qui se déclenche de l’arrière du profil à cause des forces produites par l’accélération de l’air autour du profil.
Les déplacements du profil sont aussi liés aune dynamique dans le processus de la séparation de l’écoulement du profil. Les déplacements du profil influencent la distribution de la pression autour de celui-ci et c’est justement cette distribution qui donne lieu et qui maintient la séparation de l’écoulement. Les profils des pales des éoliennes sont relativement épais (>15%), donc la séparation ne commence guère au bord d’attaque, mais plutôt de l’arrière du profil. Ce dernier type de séparation commence par une migration du point arrêt sur la face arrière du pro fil (dessus) à cause d’une basse pression vers l’arrière du profil. L’écoulement se sépare quand un tourbillon se forme au bord de fuite et couvre le dessus du profil. Ce tourbillon est transporté lentement dans le sens de l’écoulement et part du profil quand l’angle d’attaque prend une cible critique (figure 1.3). Pour les déplacements angulaires dans l’axe qui longe la pale et ceux dans l’axe perpendiculaire à la corde du profil, ce n’est que la région de basse pression qui cause la séparation ; dans le cas des déplacements dans l’axe de la corde du profil, il y a aussi un ralentissement relatif de l’écoulement qui encourage la migration du point arrêt.

 La dynamique structurelle

Les charges aérodynamiques, gravitationnelles et inertielles sont la source de la plupart des vibrations dans les composantes flexibles des éoliennes. Les fréquences naturelles de ces vibrations dans les éoliennes multi-mégawatt, telles que la machine NREL Offshore Baseline Turbine, sont de l’ordre de 1,5 à 10 fois la fréquence de rotation du rotor pour les premiers modes de flexion et de l’ordre de 10 à 15 fois la fréquence de rotation pour les deuxième modes de flexion (cf. Réf. 8). La plupart des modes ont un faible amortissement de la part de la structure, tandis que l’amortissement dominant provient des effets de l’aérodynamique. En pratique, il est commun d’augmenter l’amortissement de ia tour au moyen d’un amortisseur liquide dans le haut de la tour’-12′ 13-1. Les charges de ia gravité dominent les charges parallèles au plan du rotor et donc elles sont normalement associées aux déflexions des pales dans ie plan du rotor et aux charges dans î’axe de rotation des enroulements de calage. La gravité génère aussi les couples qui tendent
à fausser la pale quand celle-ci est fléchie hors le plan du rotor. Les charges qui surgissent à cause de l’inertie, par contre, sont produites par les accélérations relatives des composantes de la structure. Durant l’opération de ia machine, ces charges font ie lien entre les vibrations des diverses composantes de la structure et déterminent donc les couplages entre les composantes dans la dynamique de la machine. L’inertie s’avère très importante aussi dans les événements extrêmes, tels que les arrêts soudains, où les accélérations sont sévères.

Table des matières

RÉSUMÉ
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS
LISTE DES SYMBOLES
INTRODUCTION
CHAPITRE I LA MODÉLISATION AÉROÉLASTIQUE
1.1 La physique des éoliennes
1.1.1 L’aérodynamique
1.1.2 La dynamique structurelle
1.1.3 La commande
1.2 Les propriétés de la machine NREL Offshore Baseline Turbine
1.3 La simulation del’aéroélasticité
1.3.1 HAWC2
1.3.2 FAST
1.3.3 Les modèles linéaires
1.4 Les conclusions
CHAPITRE II LE CHOIX DES CAPTEURS
2.1 L’analyse de l’observabilité
2.1.1 La distance à l’inobservabilité : definition et calcul
2.1.2 Le conditionnement de l’estimateur d’états
2.1.3 Les effets de la dimensionnalité dans la comparaison des sorties
2.1.4 Le gramian d’observabilité
2.1.5 Les aspects numériques du choix des capteurs
2.2 La conception des réseaux de capteurs
2.2.1 Les stratégies de recherche
2.3 Les conclusions
CHAPITRE III L’ESTIMATION DES ÉTATS
3.1 La théorie de Testimation des états
3.1.1 L’estimation par la méthode des moindres carrés
3.1.2 Le filtre de Kalman
3.1.3 L’estimation à réponse impulsionnelle finie
3.1.4 L’observateur optimal LTP
3.1.5 L’estimation des modèles incertains
3.2 L’estimation des états dans l’environnement HAWC2
3.2.1 L’initialisation
3.2.2 Les événements en temps simulation
3.3 Les résultats 56
3.3.î L’optimisation des paramètres de l’estimateur
3.3.2 Les écoulements déterministes
3.3.3 Les écoulements turbulents
3.3.4 L’analyse des suppositions
3.4 Les conclusions
CHAPITRE IV LA COMMANDE INDIVIDUELLE DU CALAGE DES PALES
4.1 La régulation linéaire et quadratique avec mitigation des perturbations
4.2 La régulation de l’angle d’attaque
4.3 Les résultats
4.4 Les conclusions
CONCLUSION
RÉFÉRENCES
ANNEXEA ANALYSE DES SYSTÈMES LPV
A.l La théorie FIoquet-Ljapunov
ANNEXEB LES SORTIES FAST
ANNEXEC
LA DESCRIPTION DES CODES
Cl La modélisation aéroélastique
C.2 L’analyse des modèles linéaires
C.3 L’estimation
C.4 La commande
ANNEXED
LES FICHIERS D’ENTRÉE FAST ET HAWC2
D.l Les fichiers FAST
D.l.l Lefichierist
D.l.2 Les données structurelles de la tour
D.1.3 Les données structurelles des pales
D.1.4 Les commandes aérodynamique
D.1.5 Les entrées du vent
D.1.6 Les commandes de linéarisation
D.2 Les fichiers d’entrée HAWC2

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