Le jumelage Eolien-Diésel

Le système principal -générateur diesel

Les générateurs diesels consomment du gazole pour produire de l’énergie électrique. Ils sont principalement constitués d’un moteur diesel servant à entrainer une génératrice synchrone et offrent un moyen stable de production d’énergie à long terme. Même si de nombreux efforts sont faits dans la production de biocarburants et de filtres particuliers, les gaz nocifs (oxydes d’azote et de carbone) rejetés par la combustion diesel et le cours sans cesse grandissant du gazole sont très désavantageux. La taille des réservoirs de gazole est fonction de la capacité installée.

En général, chaque générateur diesel embarque un réservoir de stockage à court termes qui est relié à un réservoir central de plus grande capacité. Un dispositif de gestion de la commutation des générateurs est nécessaire pour les configurations à plusieurs générateurs diesels. Ce système permet, entre autre, d’adapter la puissance produite à la demande tout en allongeant le temps moyen entre les interventions de maintenance sur chaque générateur. La présence de dispositifs d’arrêt/démarrage électriques permet une gestion intelligente et quasi-automatisée de la production.

Les lignes de transport sont représentées par un ensemble de dispositifs d’interconnexions électriques (transformateurs, câbles, disjoncteurs, etc.). Compte tenu de la petitesse des zones de distribution envisagées dans les SJED, le réseau de connexions est généralement de moyenne ou basse tension, très souvent triphasé.

Charge minimale d’un générateur diesel

Des études empiriques montrent que la consommation de carburant d’un générateur diesel (en litres par heure) est une fonction quasi-linéaire de la puissance débitée .

La cogénération permet, par réduction de la charge du générateur diesel, de réduire le débit de carburant consommé. Cependant, on peut se poser une question fondamentale: Y- a-t-il une limite inférieure à la réduction de la consommation d’un générateur diesel?

La réponse est bien évidemment oui. Même à vide, un générateur diesel absorbe du carburant pour assurer le fonctionnement des parties mécaniques. Ceci ne se fait pas sans douleur pour le générateur. En effet, comme tout moteur à combustion interne, les performances d’une turbine diesel dépendent de la qualité du mélange air-carburant et de son degré de combustion .Lorsque la turbine diesel fonctionne sous charge quasi nulle, sa température optimale n’est pas atteinte et les gaz d’échappement ne sont pas complètement brulés. La température des gaz rejetés est inférieure à la normale et on dit qu’il y a accumulation d’humidité. Ceci conduit alors au développement de crasse de carbone (résidus solides de la combustion incomplète) s’accumulant sur les valves d’échappement des chambres de combustion et autres tuyauteries d’échappement. Une accumulation excessive conduit à une baisse de performances de la turbine et augment la fréquence des interventions de maintenance. Ce phénomène a pour effet, non seulement l’augmentation des coûts de maintenance, mais aussi l’ineffectivité de l’économie de carburant préconisée par le jumelage éolien-diésel.

Fréquence d’arrêt/démarrage des groupes diesel

Dans un système de jumelage à forte pénétration de l’éolienne, il faut absolument limiter le nombre de cycles d’arrêt/démarrage des turbines diesel. En effet, la source éolienne peut être fortement fluctuante et imprévisible. On peut donc assister à de fortes productions éoliennes suivies de brusques chutes de régime résultant de la variabilité de la vitesse du vent. Si le ou les groupes diesel sont arrêtés et doivent repartir aussitôt, il en résulte une forte sollicitation de la mécanique des turbines diesel qui a des conséquences à long terme sur les performances et la disponibilité desdites turbines. Outre les pics de stress mécaniques, les arrêt/démarrage répétitifs causent des pertes de carburant, l’usure des dispositifs électriques de démarrage (batteries, démarreurs, etc.) et des risques d’instabilité de la tension et de la fréquence provoqués par les processus de resynchronisation des génératrices synchrones. La répartition spectrale des puissances du vent présente deux zones: une zone de variations rapides et une zone de variations lentes. Limiter les arrêt/démarrage des groupes diesel consiste à combattre par compensation (adoucissement du profil de production) les variations brusques et imprévues de la puissance éolienne. Pour cela on a généralement recours au stockage à courts termes pour les chutes brusques, et à longs termes pour les absences prolongées du vent. La problématique du stockage de l’énergie est donc cruciale dans un projet de jumelage éolien-diesel.

Gestion de l’énergie réactive

Le développement et la commande de l’énergie réactive sont primordiaux dans un réseau autonome. En effet, la tension de bus est très influencée par la quantité d’énergie réactive produite ou consommée. En ce qui concerne la cogénération éolien-diesel, la commande de l’énergie réactive est incontournable lorsque les convertisseurs électromécaniques des éoliennes sont de type générateur asynchrone.

Le choix des génératrices asynchrones permet de réduire les coûts mais, ces dernières n’ont pas de circuit d’excitation et doivent absorber de la puissance réactive pour pouvoir produire de la puissance active. Pour des systèmes de grande puissance, la traditionnelle solution des capacités d’auto-excitation est trop coûteuse et inefficace.

L’emploi des convertisseurs de puissance en topologie back-to-back permet de gérer le problème de la stabilité. Seuls des compensateurs synchrones permettent de produire de l’énergie réactive de manière assez flexible pour résoudre le problème de l’excitation des génératrices asynchrones lorsqu’elles sont massivement utilisées. On peut alors envisager un double usage de la roue inertielle : stockage et compensation.

Obtention des valeurs des paramètres de simulation des modèles dynamiques

L’obtention des paramètres d’un modèle dynamique est l’une des étapes les plus importantes pour son implémentation numérique. En effet, ces paramètres permettent de calculer les éléments des matrices du modèle d’état (linéaire ou nom) ou les différentes constantes d’une fonction de transfert. Dans le cas d’une fonction de transfert par exemple, les coefficients du polynôme en s, au numérateur et au dénominateur d’une fonction de transfert, ainsi que le gain en régime permanant doivent être connus pour une simulation numérique. Leur connaissance est donc indispensable pour l’obtention de résultats numériques.

Le premier moyen d’obtention des paramètres du modèle dynamique consiste à élaborer une batterie de tests permettant la détermination des éléments de cette équation. Les essaies permettant de déterminer les paramètres d’un équipement sont parfois décrits dans des documents de référence tel que le standard IEEE 115 décrivant un ensemble d’essaies à appliquer à la machine synchrone .

Lorsque les paramètres constituant les matrices d’état peuvent être calculés à partir de valeurs données par le fabricant, ou à partir de simples mesures, les modèles développés sont numériquement implantables. Malheureusement, de telles données ne sont pas toujours disponibles. On a alors recours à un ensemble de mesures effectuées sur le système physique à modéliser.

Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale 
1.1 Contexte socio-économique 
1.2 Le jumelage Eolien-Diésel 
1.2.1 Le système principal – générateur diesel
1.2.2 Le système auxiliaire- aérogénérateur
1.2.3 La commutation des sources
1.3 Problématique du jumelage éolien-diesel
1.3 .1 Charge minimale d’un générateur diesel
1.3.2 Fréquence d’arrêt/démarrage des groupes diesel
1.3.3 Le stockage de l’énergie
1.3.4 La stabilité du système
1.3.5 Le partage et l’équilibrage des sources de puissance
1.3 .6 Gestion de l’énergie réactive
1.4 Approche méthodologique 
Chapitre 2 Revue des concepts théoriques et analyse du système physique
2.1 Classification des modèles 
2.1.1 Les modèles statistiques
2.1.2 Les modèles dynamiques
2.2 Implémentation des modèles dynamiques 
2.2.1 La représentation d’état
2.2.2 Représentation par fonction de transfert
2.2.3 Passerelle entre la représentation d’état et le modèle dynamique
2.2.4 Conversion des grandeurs en système par unité
2.2.5 Obtention des valeurs des paramètres de simulation des modèles dynamiques
2.3 Présentation physique des systèmes et sous-systèmes à modéliser
2.3.1 Le générateur diesel
2.3.2 Le générateur éolien (aérogénérateur)
2.4 Conclusion 
Chapitre 3 Modélisation du générateur diésel 
3.1 La turbine diésel 
3.1.1 Production du couple mécanique
3.1.2 Le régulateur de vitesse
3.1.3 Simulation numérique de la turbine diesel
3.2 La génératrice synchrone et le régulateur de tension
3.2.1 Modélisation dans le repère synchrone dqo
3.2.2 Modèles d’état de la machine synchrone
3.2.3 L’excitatrice et le régulateur de tension (AVR)
3.2.4 Simulations de la génératrice synchrone
3.3 Modèle complet du générateur diesel
3.3.1 Essaie de délestage d’une charge inductive
3.3.2 Délestage d’une charge capacitive
3.3.3 Délestage d’une charge purement résistive
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Modélisation de l’aérogénérateur 
4.1 La turbine éolienne- partie mécanique 
4.1.1 Modélisation du vent
4.1.2 Modélisation de production de la puissance éolienne
4.1.3 La transmission mécanique
4.2 Le génératrice asynchrone 
4.2.1 Modélisation dynamique
4.2.2 Modèle d’état de génératrice asynchrone
4.2.3 Modélisation de la saturation de génératrice asynchrone
4.3 La conversion de puissance 
4.3 .1 Modélisation du redresseur- convertisseur côté génératrice
4.3.2 Modélisation de l’onduleur- convertisseur côté réseau
4.4 Synthèse des Contrôleurs PI du convertisseur de puissance 
4.5 Résultats des simulations 
4.6 Conclusion
Chapitre 5 Contrôle de tension dans un SJED 
5.1 Présentation du système globale éolien-diésel 
5.2 Modélisation du composantes du système
5.2.1 Modèle du générateur diesel
5.2.2 Modèle de la génératrice asynchrone
5.2.3 Modèle du compensateur synchrone (STATCOM)
5.3 Représentation globale du système de gestion de l’énergie réactive 
5.4 Résultats des simulations 
5.5 Conclusion
Chapitre 6 Conclusion générale

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