Les différents types de couplage d’une éolienne au réseau électrique

Technologies et modes de fonctionnement d’une éolienne

Jusqu’à nos jours, au niveau de la littérature (Gipe, 2007; Rapin et Noël, 2010) pour pouvoir exploiter l’énergie cinétique du vent, deux technologies d’éoliennes sont présentées. Il s’agit des éoliennes à axe vertical et celles à axe horizontal. Les technologies à axe horizontal sont les plus utilisées par rapport à celles à axe vertical. Car elles possèdent un coût moins important et sont moins exposées aux contraintes mécaniques. De plus, elles possèdent un nombre de pâles variant entre 1 et 3. Enfin, pour cette technologie ce sont les éoliennes à trois pâles qui sont les plus utilisées. Cela s’explique par le fait qu’avec trois pâles on arrive à avoir un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation de l’arbre de la génératrice. Il est important de noter que quel que soit la technologie utilisée pour recueillir l’énergie du vent, une éolienne peut fonctionner soit à vitesse fixe ou à vitesse variable.

De plus, lorsque la vitesse du vent varie le fonctionnement à vitesse fixe ne permet pas d’exploiter à chaque instant les points de fonctionnement des courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation où la puissance produite est maximale. Par contre avec le fonctionnement à vitesse variable, il est possible à tout instant d’exploiter ces maxima à l’aide d’un MPPT pour extraire le maximum de puissance. Le MPPT est une technique d’extraction du maximum de puissance. Elle consiste à ajuster le couple électromagnétique de la génératrice pour imposer une vitesse de référence afin de maximiser la puissance extraite. En d’autres termes, il permet d’ajuster la vitesse de rotation de l’arbre de la génératrice en fonction de celle du vent. Comme le réseau électrique fonctionne avec une fréquence sensiblement constante (50Hz ou 60Hz) et le fait que l’éolienne peut fonctionner à vitesse fixe ou variable, alors la connexion ou le couplage de celle-ci au réseau électrique peut parfois nécessiter une synchronisation des deux systèmes (éolienne – réseau électrique). C’est pourquoi donc, nous parlerons dans la section suivante des différents types de connexion ou de couplage d’une éolienne au réseau électrique.

Le couplage direct et indirect

D’après la figure (1.3), il consiste à coupler une éolienne à vitesse variable au réseau à partir de son stator et de son rotor. En effet, le stator de la machine est directement relié au réseau. Car les courants statoriques sont à la fréquence du réseau électrique. De plus, par le simple fait que les courants rotoriques sont à fréquence variable et donc différente de celle du réseau, le rotor quant à lui est connecter au réseau par l’intermédiaire d’une interface d’électronique de puissance et l’accès au circuit rotorique est rendu possible grâce au système balais-bague. La connexion du rotor bobiné à ce réseau via une interface d’électronique de puissance permet, par action sur le glissement (g), de récupérer et de renvoyer la puissance rotorique ou de glissement au réseau, au lieu de la dissiper à travers la résistance du circuit rotorique. Ensuite, pour ce couplage la génératrice est une machine asynchrone à double alimentation (MADA). Cette génératrice présente deux types de fonctionnement : le fonctionnement hyper synchrone et hypo synchrone. Le fonctionnement hyper synchrone (g <0,Ω > Ω?) a lieu lorsque la machine tourne à une vitesse mécanique supérieure à la vitesse du synchronisme (elle tourne avec une vitesse mécanique au-dessus de la vitesse de synchronisme) et est marqué par un glissement négatif.

Dans ces conditions, la puissance fournie au réseau électrique est la somme de celle provenant du stator plus celle extraire du rotor. Par contre le fonctionnement hypo synchrone (g>0,Ω < Ω?) est réalisé lorsque la machine tourne avec une vitesse mécanique inférieure à celle à celle du synchronisme et on a un glissement positif. En d’autres termes, elle tourne en dessous de la vitesse de synchronisme. Pour ce cas de fonctionnement, la puissance fournie au réseau transite par le stator de la machine et une partie de cette puissance est absorbée par le circuit rotorique. Enfin, au niveau de la littérature nous notons que pour maintenir l’efficacité de ce couplage, la variation du glissement doit rester inférieure à 30% autour de la vitesse de synchronisme. Cela a donc pour effet de limiter la puissance circulant au niveau du rotor. C’est cela qui explique le fait qu’avec la MADA, la plus grande partie de la puissance générée par elle (soit 70% de sa puissance nominale) est directement fournie au réseau électrique en passant par son stator et d’une manière générale, moins de 30% de cette puissance passe par son rotor. Il est vrai que la présence du multiplicateur de vitesse et du système bague-balais sont des inconvénients pour ce couplage, à cause de l’entretien (maintenance) qu’ils nécessitent. Cependant, le fait que pour ce couplage on a seulement une fraction de la puissance nominale de la machine qui transite à travers l’interface d’électronique de puissance est un atout important. Car il permet de réduire la taille et le prix de cette interface lors de son dimensionnement. Au sortir de tout ce qui précède, nous retenons que quel que soit la technologie utilisée pour recueillir l’énergie cinétique du vent afin de produire de l’énergie électrique, une éolienne peut fonctionner suivant deux façons :

La problématique Généralement, pour raccorder une éolienne à vitesse variable au réseau électrique, on se sert d’une interface d’électronique de puissance à deux niveaux. Cependant, suite au besoin en haute tension dans les domaines tels que :

• la traction ferroviaire (TGV- 25KV);

• la propulsion de navire (navire à grande vitesse);

• les réseaux de transport et de distribution d’énergie (220-440KV).

Et la conception de nos jours des éoliennes pouvant fournir des puissances dépassant les 1MW (forte puissance), nécessitent une interface permettant de transiter de forte puissance. Or avec l’interface d’EP à deux niveaux, la puissance transitée par elle, est limitée par les grandeurs électriques (courant et tension) que peuvent supporter les semi-conducteurs de puissance. En effet, au niveau de l’interface d’EP à deux niveaux, les interrupteurs de puissance subissent la pleine tension du bus continu. Ce qui a pour effet d’augmenter les pertes par commutation. De plus, pour des mesures de sécurité, ces interrupteurs ne peuvent supporter qu’une certaine tension limite indiquée par leurs fabriquant. En raison de cette limitation en tension, il est impossible d’augmenter la tension du bus continu au-delà de celle que peuvent supporter les interrupteurs de puissance. Alors, si on veut augmenter la puissance transitée par cette interface, nous devons augmenter le courant. Cependant, l’augmentation du courant a pour effet d’augmenter l’encombrement. Ainsi, pour avoir un encombrement raisonnable nous devons avoir un courant pas trop élevé.

Enfin, vue que dans ces conditions, la tension du bus continu ne peut dépasser la tension maximale que peuvent supporter les interrupteurs et que le courant ne doit pas être très grand, alors la puissance transférée par les convertisseurs triphasés à deux niveaux est aussi limitée. Pour remédier au problème que pose l’interface d’EP à deux niveaux, des alternatives ont été proposées dans la littérature afin de connecter une éolienne à forte puissance (> 1MW) au réseau électrique ou de satisfaire les besoins en haute puissance dans les domaines comme la traction ferroviaire, la propulsion de navire, les réseaux de transport et de distribution d’énergie. En effet, la première alternative a consisté à utiliser plusieurs modules d’interface d’EP à deux niveaux mis en parallèle (Ghennam, 2011) pour connecter une éolienne à forte puissance au réseau électrique.

L’idée de cette alternative est, comme le montre la figure (1.5), de repartir ou de partager la puissance de la machine sur un certain nombre de convertisseurs back-to-back à deux niveaux mis en parallèle et d’utiliser un transformateur pour les connecter au réseau. C’est-à-dire la puissance fournie au réseau est la somme des puissances transitées par chaque interface à deux niveaux mis en parallèle. L’idée de repartir la puissance de la machine à travers un certain nombre d’interface d’EP à deux niveaux mis en parallèle (Ghennam, 2011) afin de coupler une éolienne à forte puissance au réseau électrique semble être une bonne alternative. Cependant, elle présente certains inconvénients notamment :

• l’impossibilité d’élever la puissance à l’aide d’une tension plus élevée que celle que peut supporter les semi-conducteurs de puissance;

• l’utilisation de plusieurs interfaces d’EP à deux niveaux rend cette configuration coûteuse et encombrante. Car chaque interface mis en parallèle possède son propre système de contrôle.

De plus, l’autre alternative à consister à utiliser une interface d’EP multiniveaux pour connecter une éolienne à forte puissance au réseau électrique (Ghennam, 2011). Car les structures multiniveaux possèdent, comme l’illustre la figure (1.6) un bus continu segmenté par plusieurs condensateurs lacés en série. La segmentation de ce bus a l’avantage de réduire la contrainte en tension sur les différents interrupteurs de puissance. C’est-à-dire avec ces convertisseurs multiniveaux, les semi-conducteurs de puissance ne supportent qu’une fraction de la pleine tension du bus continu. Fort de cet avantage, il est possible avec ces convertisseurs d’augmenter la tension de ce bus au-delà de celle que peuvent supporter les semi-conducteurs et donc d’élever la puissance transitée par cette interface. Bien que ça, cette alternative présente l’inconvénient d’avoir un encombrement important lorsque le nombre de niveaux devient très élevé.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE LIEU SUR LA CONNEXION D’UNE ÉOLIENNE AU RÉSEAU ÉLECTRIQUE
1.1 Technologies et modes de fonctionnement d’une éolienne
1.2 Les différents types de couplage d’une éolienne au réseau électrique
1.2.1 Le couplage direct
1.2.2 Le couplage indirect
1.2.3 Le couplage direct et indirect
1.3 L’interface d’électronique de puissance
1.3.1 La problématique
1.3.2 La solution choisie
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DU SYSTÈME ÉTUDIÉ
2.1 Description du système étudié
2.2 Modélisation
2.2.1 Modélisation du sous-système
2.2.1.1 Détermination des dynamiques de courant
2.2.1.2 Détermination de la dynamique des tensions du lien continu
2.2.1.3 Passage au modèle moyen
2.2.1.4 Passage dans le référentiel synchrone (dqo)
2.2.2 Modélisation du sous-système
2.2.2.1 Passage au modèle moyen
2.2.2.2 Passage dans le référentiel synchrone (dqo)
2.2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 COMMANDE NON-LINÉAIRE AU SENS ENTRÉE-SORTIE APPLIQUÉE AU CONVERTISSEUR NPC À TROIS NIVEAUX
3.1 Conception de la commande non-linéaire basée sur la linéarisation entrée-sortie
3.1.1 Conception de la commande non-linéaire au sens entrée-sortie pour le sous-système 2
3.1.2 Choix des sorties à contrôler
3.1.3 Extraction des lois de commande non-linéaire
3.1.4 Détermination des lois de commande linéaire
3.1.5 Détermination des gains du régulateur PI
3.1.6 Extraction des courants de référence
3.1.7 Implantation de la commande
3.2 Validation de la commande
3.2.1 Simulation du sous-système 2
3.2.2 Résultats de simulation du sous-système 2
sans avoir connecté la charge
3.2.3 Résultats du sous-système 2 avec charge connectée
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 CONNEXION D’UNE ÉOLIENNE AU RÉSEAU ÉLECTRIQUE VIA UNE INTERFACE D’EP DE TYPE NPC À TROIS NIVEAUX
4.1 Conception de cette commande non-linéaire
4.1.1 Le choix des sorties du système et extraction des lois de commande non-linéaire
4.1.2 Détermination des lois de commande linéaire
4.1.3 Extraction des références des courants statoriques et implantation de la commande non-linéaire au sens entrée-sortie
4.1.4 Simulation du sous-système 1
4.1.5 Résultats de simulation du sous-système 1
4.2 Connexion de l’éolienne au réseau via une interface d’EP de type NPC à trois niveaux
4.2.1 Simulation du système global
4.2.2 Résultats de simulation
4.2.3 Résultats de simulation sans charge non-linéaire connectée
4.2.4 Résultats de simulation avec charge non-linéaire connectée
4.3 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
ANNEXE I DÉTAILS DES CALCULS POUR LA MODÉLISATION DU SOUS-SYSTÈME 2
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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