Soutenance mémoire
Les éoliennes à vitesse fixe
Principe général
Les éoliennes à vitesse fixe sont les premières à avoir été développés. Dans cette technologie, la génératrice asynchrone est directement couplée au réseau. Sa vitesse Ωmec est alors imposée par la fréquence du réseau et par le nombre de paires de pôles de la génératrice (figure I.2) [Bud 00] [Div 00].
Le couple mécanique entraînant (produit par la turbine) tend à accélérer la vitesse de la génératrice. Cette dernière fonctionne alors en hypersynchrone et génère de la puissance électrique sur le réseau. Pour une génératrice standard à deux paires de pôles, la vitesse mécanique (Ωmec) est légèrement supérieure à la vitesse du synchronisme Ωs=1500tr/mn, ce qui nécessite l’adjonction d’un multiplicateur pour adapter la génératrice à celle du rotor de l’éolienne [Les 81] (figure I.3).
Les éoliennes à décrochage aérodynamique
Les éoliennes à décrochage aérodynamique (stall) génèrent une puissance électrique variable dont la valeur maximale correspond en général à la puissance nominale de la machine. En dessous de cette valeur, la puissance fournie croît avec la vitesse du vent. Au delà, la puissance fournie décroît avec la vitesse du vent (figure I.4) [Mul 02] [Tap 01] [Led 99].
On définit :
– Pn, la puissance nominale de l’éolienne
– Vo, la valeur de la vitesse pour laquelle le rotor de la turbine commence à tourner
– Vn, la valeur de vitesse pour laquelle la puissance nominale est atteinte.
Pour obtenir cette caractéristique de puissance, les pales (fixes) sont conçues avec un profil qui permet d’obtenir une décroissance brusque de la portance à partir d’une vitesse donnée pour laquelle la puissance doit être diminuée. Audelà de cette vitesse de vent, la puissance diminue très rapidement et un fonctionnement à puissance nominale constante n’est donc pas possible.
Pour les machines de fortes puissances, on trouve également le système “Stall actif’’ [Hof 02]. Le décrochage aérodynamique est alors obtenu progressivement grâce à un dispositif permettant un débattement des pales contre le vent. L’orientation des pales étant très réduite, le dispositif mécanique est technologiquement plus simple et moins coûteux que le système à orientation des pales qui est maintenant présenté.
Les éoliennes à pales orientables
L’utilisation d’un système d’orientation des pales permet, une modification aérodynamique, de maintenir constante la puissance de la machine en fonction de la vitesse du vent et pour une vitesse de vent supérieure à Vn (figure I.5) [Dei 00].
Avec :
– Vf, la vitesse pour laquelle le générateur commence à fournir de la puissance
– Vhs, la valeur de la vitesse pour laquelle la machine doit être arrêtée.
Intérêt de la vitesse variable
Pour une vitesse de vent V1 et une vitesse mécanique de la génératrice Ω1; On obtient une puissance nominale P1 (point A). Si la vitesse du vent passe de V1 à V2, et que la vitesse de la génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne à vitesse fixe), la puissance P2 se trouve sur la 2ème caractéristique (point B). La puissance maximale se trouve ailleurs sur cette caractéristique (point C). Si on désire extraire la puissance maximale, il est nécessaire de fixer la vitesse de la génératrice à une vitesse supérieure Ω2. Il faut donc rendre la vitesse mécanique variable en fonction de la vitesse du vent pour extraire le maximum de la puissance générée. Les techniques d’extraction maximale de puissance consistent à ajuster le couple électromagnétique de la génératrice pour fixer la vitesse à une valeur de référence (Ωref) calculée pour maximiser la puissance extraite.
Spécificités liées à la technologie des aérogénérateurs
La configuration électrique d’un aérogénérateur a une grande influence sur son fonctionnement. Le fait qu’une éolienne fonctionne à vitesse fixe ou à vitesse variable dépend par exemple de cette configuration. Les avantages principaux des deux types de fonctionnement [Rod 2000] :
➤ fonctionnement à vitesse fixe :
● Système électrique plus simple
● Plus grande fiabilité
● Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne
● Pas besoin de système électronique de commande
● moins cher .
➤ fonctionnement à vitesse variable:
● Augmentation du rendement énergétique
● Réduction des oscillations du couple dans le train de puissance
● Génération d’une puissance électrique d’une meilleure qualité .
Les deux types de machine électrique les plus utilisés dans l’industrie éolienne sont les machines synchrones et les machines asynchrones sous leurs diverses variantes. On donne par la suite les principales caractéristiques de chacun de ces types de machine [Ack 2002] [Hei 2000] :
– Générateur synchrone: c’est ce type de machine qui est utilisé dans la plupart des procédés traditionnels de production d’électricité, notamment dans ceux de très grande puissance (centrales thermiques, hydrauliques ou nucléaires). Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 KW à 2 MW sont bien plus chers que les générateurs à induction de La même taille. De plus, lorsque ce type de machine est directement connecté au réseau, sa vitesse de rotation est fixe et proportionnelle à la fréquence du réseau. En conséquence de cette grande rigidité de la connexion générateur – du réseau, les fluctuations du couple capté par l’aéroturbine se propagent sur tout le train de puissance, jusqu’à la puissance électrique produite. C’est pourquoi les machines synchrones ne sont pas utilisées dans les aérogénérateurs directement connectées au réseau par l’intermédiaire de convertisseur de puissance. Dans cette configuration, la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la machine sont découplées. Cette vitesse peut par conséquent varier de sorte à optimiser le rendement aérodynamique de l’éolienne et amortir les fluctuations du couple dans le train de puissance. Certaines variantes de machines synchrones peuvent fonctionner à faibles vitesses de rotation et donc être couplées à l’aéroturbine. Elles permettent de se passer du multiplicateur, élément présent sur la plupart des aérogénérateurs et demandant un travail important de maintenance.
– Générateurs asynchrones: la Connexion directe au réseau de ce type de machine est bien plus douce grâce à la variation du glissement se produisant entre le flux stator et la vitesse de rotation du rotor. Ceci explique pourquoi pratiquement toutes les éoliennes à vitesse fixe utilisent des machines à induction. Dans les années 1990, les Danois ont rajouté une deuxième machine électrique pour pouvoir faire fonctionner l’éolienne à deux vitesses et ainsi augmenter rendement énergétique de leur aérogénérateur.
– L’introduction de convertisseurs de puissance entre la machine et le réseau permet comme pour la machine synchrone de découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la machine, et ainsi de faire fonctionner l’aérogénérateur à vitesse variable avec les avantages cités auparavant. Comme pour les machines synchrones, il existe différents types de machines asynchrones, qui associées à divers convertisseurs de puissance, fonctionnent avec des domaines de variation de vitesse de rotation plus ou moins grandes. Deux principaux avantages des machines à induction sont, la consommation de puissance réactive et le courant élevé au démarrage, mais ces problèmes peuvent être résolus par utilisation d’élément d’électronique de puissance. Deux variantes de ces machines asynchrones et synchrones pourraient se développer dans les prochaines années: des générateurs synchrones à aimant permanent directement couplés à la turbine (Jeumont, Lagerwey, Winwind, Windformer) ou des générateurs asynchrones doublement alimenté au stator. Ce dernier n’est pas encore complètement au point mais aurait un avantage sur les Générateurs Asynchrones Doublement Alimenté au stator (GADA) à rotor bobiné, puisqu’il n’a pas de bagues, élément des machines asynchrones à rotor bobiné demandant une certaine maintenance. Même si elles ne sont pas utilisées dans l’industrie éolienne, d’autres types de machines auraient techniquement la possibilité d’être utilisées dans les aérogénérateurs à vitesse variable. Les machines à courant continu présentent une excellente marge de variation de la vitesse de rotation, une bonne réponse dynamique et une excellente capacité de surcharge, mais elles sont chères et ont un grand poids [Rod 2000]. Les générateurs à réluctances variables sont des machines mécaniquement robustes, ils ont de plus un bon rendement à toutes les vitesses et une large marge de variation de la vitesse de rotation et leur commande est simple [Car 1996 a]. Ce type de machine pourrait être un candidat pour les futures éoliennes.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 PRESENTATION DE SYSTEME DE CONVERSION EOLIENNE
I.1.1 Les éoliennes à vitesse fixe
I.1.2 Les éoliennes à vitesse variable
I.1.3 Spécificités liées à la technologie des aérogénérateurs
I.1.4 Structure des éoliennes
I.2 GENERALITES SUR LES MAS
I.2.1 Présentation de la MAS
I.2.2 Modèle triphasé de la MAS
I.2.3 Modèle de Park de la MAS
I.3 Etat de l’art sur la mise en œuvre de la commande vectorielle des MAS
Mise en œuvre complète de la commande vectorielle d’un onduleur triphasé à quatre interrupteurs pilotant un moteur à induction
Caractéristiques de la surmodulation dynamique dans les méthodes de modulation de largeur d’impulsion basées sur l’intersection avec un signal triangulaire
Comparaison expérimentale de méthodes de commande MLI à porteuse et vectorielle pour les
convertisseurs triphasés à point neutre
Génération de signaux modulés en largeur (MLI) pour convertisseur triphasé à base d’un microcontrôleur
Mise en œuvre à faible coût d’une commande PWM haute résolution pour la commande de moteurs à vitesse variable
Investigation de divers commandes MLI pour des filtres actifs de type shunt
Relations entre la commande par modulation vectorielle et la commande MLI triphasé par porteuse : analyse approfondie
CHAPITRE II : ETUDE ET SIMULATION DE LA COMMANDE DE MACHINES ASYNCHRONES
II.1 INTRODUCTION
II.2 COMMANDE INTERSECTIVE SINUS
II.2.1 Onduleur a modulation de largeur d’impulsions (M.L.I.)
II.2.2 Problème du filtrage
II.3 COMMANDE PAR VECTEURS D’ESPACE
II.3.1 Théorie de la commande par vecteurs d’espace
II.3.2 SVPWM surmodulation
II.3.3 Contrôle vectoriel et SVPWM
II.4 Commande vectorielle
II.4.1 Commande vectorielle par orientation du flux rotorique dans le référentiel synchrone
II.4.2 Commande vectorielle par orientation du flux statorique dans le référentiel synchrone
II.4.3 Observateur indirect à mesure des courants et de la position mécanique du rotor
II.4.4 Observateur de flux à mesures des tensions et des courants
II.4.5 Observateur direct à mesure des courants et de la position mécanique du rotor
II.4.6 Simulation
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III : MISE EN ŒUVRE DE LA COMMANDE VECTORIELLE
III.1 INTRODUCTION
III.2 SYNOPTIQUE DU SYSTÈME
III.3 ASPECT MATÉRIEL
III.3.1 Présentation du dsPIC33FJ128MC804
III.3.2 Schémas du dispositif
III.4 ASPECT LOGICIEL
Conclusion générale
