Soutenance mémoire
La demande en électricité augmente à un rythme effréné dans le monde entier. A présent, l’accès à l’énergie électrique, est synonyme de meilleures conditions de vie (transport, santé et éducation) et le facteur essentiel pour tout développement industriel, économique et politique. Face à l’épuisement des ressources énergétiques fossiles (charbon, pétrole et gaz) et aux problèmes environnementaux causés par l’émission des gaz à effet de serre lors de leur combustion, la recherche de solutions énergétiques alternatives est devenue un objectif incontournable de par le monde [0.1, 0.2]. Pour faire face ces problèmes, les gouvernements interviennent alors, par des investissements massifs, pour promouvoir les énergies renouvelables. Dans plusieurs pays développés, le développement des énergies renouvelables s’est imposé non seulement pour mettre fin à leur dépendance vis à vis des pays producteurs d’énergies fossiles mais aussi pour lutter contre les problèmes de pollution dus à l’émission de gaz, et du réchauffement climatique dû à l’effet de serre. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux ambitieux programmes de recherche, pour l’exploitation de l’énergie photovoltaïque et éolienne ont été initié. Cependant, ces initiatives furent délaissées, notamment la production éolienne, au cours des années 80s à cause de la différence de coûts et concurrence entre les énergies fossiles et les énergies renouvelables [0.3]. Malgré ces problèmes, des politiques de développement ont été mené avec succès dans de nombreux pays (USA, France, Canada, Espagne.) : réduire leur dépendance politique et économique, augmenter leur sécurité énergétique, amplifier leur capacité de renouvellement des énergies existantes, diminuer leur facture énergétique et finalement, résoudre les problèmes d’échauffement climatique et les problèmes de maladies liés à la pollution de l’air. Actuellement, la production mondiale d’énergie provient, à 80 % en 2014, de l’utilisation des combustibles fossiles. La capacité de production d’énergie à partir de sources renouvelables (y compris l’hydroélectricité) a atteint un nouveau record à 1 560 gigawatts (GW) début 2014, ce qui représente une augmentation de 8,3% par rapport à 2013. Les énergies renouvelables fournissent donc près de 20% de la consommation énergétique mondiale. Selon le rapport Bloomberg Énergie Finance de 2014 concernant les perspectives des énergies renouvelables dans la production énergétique mondiale en 2020 .
L’énergie électrique éolienne
L’intérêt actuel pour l’énergie éolienne provient du besoin d’élaborer des systèmes d’énergie moins coûteuse, propre et durables aux quels on peut se fier à long terme. L’aérodynamique, l’ingénierie, l’électronique de puissance moderne ont permis d’améliorer les éoliennes concurrentes à d’autres énergies traditionnelles.
Bilan énergétique mondial
En cinq ans, la puissance éolienne installée a été multipliée par trois dans le monde, passant de 121 GW à 319 GW. La capacité installée à presque doublé en Europe, passant de 65,2 GW à 117,7 GW entre 2008 et 2013. Les pays précurseurs dans le monde ont été le Danemark, l’Allemagne et l’Espagne.
Récemment, la Chine et les Etats-Unis sont devenus les pays possédant la plus grande capacité éolienne installée, précédant l’Allemagne et l’Espagne qui restent cependant les pays disposant de la plus grande puissance éolienne par habitant avec le Danemark .
Les énergies renouvelables prennent une importance croissante dans la production mondiale d’électricité. Chaque année entre 2011 et 2017, la production d’électricité ajoutée par les énergies éolienne et photovoltaïque sera plus importante que celle ajoutée par les réacteurs nucléaires en construction. Plus de 35 GW des capacités éoliennes ont été ajoutés en 2013 pour un total légèrement supérieur à 318 GW. Après plusieurs années de fortes progressions, ce marché à toutefois reculé de près de 10 GW par rapport à l’année 2012, en raison principalement de la forte baisse du marché américain. L’énergie éolienne en mer a connu une année record, avec 1,6 GW ajoutés, la quasi-totalité installée dans l’Union européenne .
Plus de 35 GW de capacités éoliennes ont été ajoutés en 2013 pour un total de capacité de production mondiale légèrement supérieur à 318 GW. Malgré plusieurs années records, ce marché à toutefois reculé de près de 10 GW par rapport à 2012, en raison principalement de la forte baisse du marché américain. Heureusement, l’énergie éolienne en mer a connu une année record, avec 1,6 GW ajoutés, la quasi-totalité étant enregistrée dans l’Union européenne.
Enjeux de l’éolienne
Cette énergie, exploitée depuis l’antiquité pour l’utilisation des moulins à vent, avait été délaissée pour les énergies telles que le nucléaire. C’est depuis une trentaine d’années qu’elle a refait surface sous forme d’éolienne et son développement est considérable. La prise de conscience collective des méfaits des énergies fossiles ou nucléaires a permis aux énergies renouvelables de présenter ses avantages.
Sur le plan environnemental
Les énergies renouvelables sont des énergies propres et économiques, elles n’émettent pas de gaz à effet de serre et elles ne produisent aucun déchet radioactif. De plus, elle rembourse sa dette énergétique, c’est-à-dire l’énergie nécessaire à sa fabrication, en neuf mois. Par contre, elle a un impact sur l’avifaune, le bruit et le paysage. L’éolienne a quelques inconvénients :
• L’impact visuel : qui reste un thème subjectif. Selon les enquêtes réalisées en Europe, la perception d’une éolienne n’est pas négative et varie selon le type de paysage initial, de la disposition (la disposition en ligne est préférable), de la quantité, de la taille des machines, du nombre de pales. Dans tous les cas une étude paysagère est indispensable lors du montage du projet.
• Interférence électromagnétique : la réflexion des signaux sur les pales du rotor, structure tournante, peut provoquer d’éventuelles interférences sur les systèmes de télécommunication, TV, radars… Une concertation avec les organismes militaires et civils concernés est donc requise.
• Le bruit : c’est un critère souvent évoqué, mais qui ne trouve plus de fondement réel. Les nouvelles machines ont fortement évolué. Les bruits mécaniques ou aérodynamiques ont été réduits par l’utilisation de nouveaux profils, extrémités de pale, mécanismes de transmission etc , et ne sont plus une gêne, même proche des machines (50-60 dB équivalent à une conversation). Une distance d’environ huit fois le diamètre permet de ne plus distinguer aucun bruit lié à cette activité (< 40 dB). De plus, il faut souligner que le bruit naturel du vent, pour des vitesses supérieures à 8 m/s, a tendance à masquer le bruit rayonné par l’éolienne [I.5].
• Faune : de nombreuses études ont été menées, dans les pays fortement développés en matière d’énergie éolienne, suite à des mouvements de protestation. Le fonctionnement propre de l’aérogénérateur n’est pas à mettre en cause. Les oiseaux réagissent très bien et les risques de collision sont très faibles. La faune est généralement plus dérangée par l’activité humaine, surtout liée à la construction du site. En phase d’exploitation, la faune s’adapte et reprend son mode de vie (cas des ours par exemple).
Sur le plan économique
Les différents accidents (de cause naturelle ou humaine) comme ceux survenus à Tchernobyl ou plus récemment à Fukushima se traduisent par des coûts importants et des problèmes écologiques souvent dramatiques pour les populations locales. Les déchets radioactifs crées par le nucléaire sont dangereux et le coût pour les contenir est très élevé. De plus, différentes études montrent que les énergies renouvelables sont plus économiques à long terme [I.6].
La rentabilité d’une éolienne
La rentabilité d’une éolienne dépend de son rendement énergétique, d’exposition au vent, de son prix d’achat, de son mode de financement et de son coût d’exploitation. L’énergie qu’une éolienne capte dans le vent est proportionnelle à la surface balayée par les pales et au cube de la vitesse du vent. Plus la puissance d’une éolienne est importante, plus son prix au MW est faible. Plus le mat d’une éolienne est haut, plus important est l’énergie captée dans le vent. Ainsi l’éolien industriel, qui utilise des machines dont la puissance peut atteindre 6 MW, produit de l’électricité à un prix beaucoup plus avantageux que les petites éoliennes utilisées par les particuliers.
Les facteurs suivants déterminent le coût de l’énergie éolienne :
• Le coût initial de l’éolienne et de son installation.
• Le taux d’intérêt à payer sur l’investissement.
• La quantité d’énergie produite.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I:Etat de l’art & Description de l’étude
I.1 Introduction
I.2 L’energie Electrique Eolienne
I.2.1 Bilan energétique mondial
I.2.2 Enjeux de l’éolienne
I.2.3 La rentabilité d’une éolienne
I.3 Types d’aérogénérateurs
I.3.1 Aérogénérateurs à axe vertical VAWT
I.3.2 Aérogénérateurs à axe horizontal
I.4 Principaux constituants d’une éolienne à axe horizontal
I.4.1 Le rotor
I.4.2 Les pales
I.4.3 La nacelle
I.4.4 Les multiplicateur de vitesse
I.4.5 L’arbre secondaire
I.4.6 L’anémométre
I.4.7 La girouette
I.4.8 Le système d’orientation
I.4.9 La génératrice
I.5 Controle de la puissance fournie par une eolienne
I.5.1 Systèmes de régulation au niveau de la turbine
I.5.2 Contrôle au niveau de la génératrice
I.6 Topologies de generatrices éoliennes a vitesse variable
I.6.1 Système utilisant une génératrice asynchrone
I.6.2 Système utilisant la génératrice asynchrone à double alimentation
I.6.3 Système utilisant une génératrice synchrone
I.7 Conclusion
I.8 Références bibliographiques
Chapitre II: Modélisation d’un système éolien à vitesse variable
II.1 Introduction
II.2 Conversion d’énergie aérodynamique en énergie électrique
II.2.1 La loi de Betz
II.2.2 Le coefficient de vitesse réduite (tip-speed ratio)
II.2.3 Le coefficient de puissance (power coefficient) C
II.2.4 Le coefficient de couple (torque coefficient) C
II.2.5 Impacte du nombre des pales sur le coefficient de puissance
II.2.6 Courbes caractéristiques des turbines éoliennes
II.3 Modélisation de la turbine éolienne
II.3.1 Modélisation de vitesse du vent
II.3.2 Hypothèses simplificatrices pour la modélisation mécanique de la turbine
II.3.3 Modèle de multiplicateur
II.3.4 Équation dynamique de l’arbre de transmission
II.4 Modélisation de la machine synchrone a aiment permanant
II.4.1 Les avantages de l’utilisation des machines synchrones
II.4.2 Composition de la MSAP
II.4.3 Circuit équivalant d’un générateur synchrone
II.4.4 Hypothèses simplificatrices
II.4.5 Équations électriques
II.4.6 Passage au repère de Park
II.4.7 Equations magnétiques
II.4.8 Puissance et couple électromagnétique
II.4.9 Equations mécanique
II.4.10 Simulation de la GSAP
II.5 Modèles du convertisseur de puissance
II.5.1 Modélisation d’un redresseur MLI dans le repère naturel
II.5.2 Modélisation du bus continu
II.5.3 Onduleur de tension côté réseau
II.5.4 Modélisation du filtre
II.5.5 Modélisation du réseau électrique
II.5.6 Simulation du redresseur
II.6 Conclusion
II.7 Références bibliographiques
Chapitre III: Commande de convertisseur côté générateur
III.1 Introduction
III.2 Formulation du probléme
III.3 Contrôle de convertisseur côté générateur
III.3.1 MPPT (Maximum Power Point Tracking)
III.3.2 synthèses des algorithmes de maximisation de la puissance extraite pour les systèmes d’énergie éolienne
III.3.3 Commande vectorielle de la machine synchrone à aimants permanents
III.4 Résultats de la simulation et interprétation
III.5 Conclusion
III.6 Références bibliographiques
Chapitre IV: Commande de convertisseur côté réseau
IV.1 Introduction
IV.2 Problème d’injection des éoliennes dans un réseau électrique
IV.3 Contrôle de convertisseur côté réseau
IV.3.1 Objectif de contrôle
IV.3.2 Problème de la commande de convertisseur côté réseau
IV.3.3 Commande direct de puissance (DPC) basée sur mode glissant d’ordre deux DPC-SOSMC
IV.3.4 Régulation du bus continu
IV.3.5 Commande de la puissance active et réactive basé sur DPC-SOSMC
IV.3.6 Commande de la puissance active et réactive basé sur DPC-FOSMC
IV.4 Résultats de la simulation et interprétation
IV.5 Conclusion
IV.6 Références bibliographiques
Conclusions
