Modélisation et commande non linéaire des hydroliennes couplées à un réseau électrique

La rivalité des grandes nations au cours du siècle dernier a fortement contribué au développement de l’industrie ainsi qu’à l’émergence des appareils électriques. Ce phénomène a entraîné une demande considérable en énergie électrique qui ne cesse de s’accroître aujourd’hui. Pour couvrir cette demande, les grandes nations se sont focalisées sur les sources d’énergie dites conventionnelles, dont les principales sont les centrales thermiques et nucléaires. L’utilisation de ces centrales thermiques dépend des réserves pétrolières qui s’épuisent de jour en jour. Leur inconvénient majeur réside dans l’émission des gaz qui polluent énormément l’atmosphère. Une solution à ce problème fut le développement des centrales nucléaires qui, contrairement aux centrales thermiques n’engendrent pas de pollution atmosphérique. Cependant, le traitement et l’enfouissement des déchets nucléaires qui restent hautement radioactifs durant des années et le réchauffement climatique causé par le refroidissement des réacteurs nucléaires mettent actuellement en cause la viabilité du nucléaire. En plus de ces problèmes environnementaux, les risques d’accident nucléaire comme ceux observés en Russie et récemment au Japon font que cette forme d’énergie présente un réel danger pour les futures générations. Pour atténuer ces problèmes environnementaux liés à l’exploitation des ressources énergétiques fossile et nucléaire ainsi qu’à leur épuisement, les pays développés ainsi que certains pays en voie de développement se sont résolument tournés vers les sources d’énergies dites renouvelables. Malgré les efforts institutionnels et politiques, il faut reconnaitre qu’à ce jour cette forme d’énergie ne représente qu’une portion de l’énergie mondiale produite et le défi actuel est de l’augmenter significativement afin de réduire la part des sources d’énergies dégradant l’environnement. C’est dans cette dynamique que l’énergie éolienne avait été développée, mais les réalités environnementales actuelles exigent plus. Comme la plupart des sources d’énergie renouvelable, l’énergie éolienne présente un caractère aléatoire et très fluctuant; ce qui altère la qualité de la puissance injectée sur le réseau auquel elle est connectée. Ce fait constitue l’une des raisons principales de la perte de stabilité des réseaux à fort taux d’éoliennes, qui, en réalité n’étaient pas initialement conçus pour recevoir ces types de systèmes. L’intégration au réseau d’un tel système engendre donc des problèmes de réglage en tension et en fréquence insi qu’une vulnérabilité aux perturbations électriques (creux de tension, court-circuit,…). Ce problème est généralement résolu par l’utilisation d’une interface d’électronique de puissance entre la source de production et le réseau, ce qui introduit des coûts supplémentaires et peut engendrer des problèmes techniques de dimensionnement. Les perturbations du réseau (courtcircuit, changement brusque de la fréquence) déstabilisent aussi le système éolien. Dans ces conditions, ce dernier ne peut plus être utilisé par le gestionnaire de réseau pour assurer la stabilité en tension et en fréquence car ses protections internes le déconnectent du réseau. De plus, ces perturbations entraînent non seulement une détérioration mais aussi une possible destruction du convertisseur de puissance, surtout s’il n’est pas protégé. Pour toutes ces raisons, l’énergie hydrolienne se présente aujourd’hui comme l’une des sources d’énergie renouvelable les plus intéressantes, grâce à son énorme potentiel mondial estimé à une puissance de 100 GW [Ben 08], ce qui représente un gisement considérable non négligeable. Bien que, les dynamiques du vent soient totalement différentes de celles de la marée, les hydroliennes utilisent les mêmes principes que les éoliennes, elles peuvent donc s’appuyer sur des techniques viables et éprouvées. En ce qui concerne la production d’énergie avec des hydroliennes installées en moyenne profondeur, la marée est totalement prédictible et sa vitesse varie très lentement; ce qui explique la facilité d’intégration des hydroliennes au réseau électrique par rapport à beaucoup de sources d’énergie renouvelable. Dans ces conditions, la connexion au réseau électrique peut se faire sans passer par une interface d’électronique de puissance à condition que :

– Les interactions entre les hydroliennes reliées entre elles (multi-machines) et le réseau électrique soient prises en compte,
– De nouvelles stratégies de commande prenant en compte le caractère non linéaire et multivariable soient développées, et,
– Le comportement du système reste satisfaisant en ce qui concerne l’accrochage du système de production d’énergie au réseau électrique malgré les perturbations.

L’objectif visé par cette thèse est, d’étudier en simulation le comportement dynamique des hydroliennes commandées et directement couplées au réseau électrique, puis, d’implémenter sur bancs d’essais des commandes non linéaires pour la validation expérimentale des modèles de simulation.

Les travaux déjà réalisés sur le contrôle des hydroliennes traitent d’une part, la régulation de la fréquence avec une commande à modes glissant d’ordre supérieur [Ben 11], et d’autre part, l’utilisation d’une commande linéaire pour le couplage au réseau électrique [And 08]. À noter que ces techniques de commande sont développées pour un système hydrolien mono machine, utilisant une génératrice synchrone à aimant permanent. Les auteurs du premier article, régulent la fréquence mais pas la tension. La connexion au réseau du système est donc impossible. Les auteurs du second article, connectent leur système au réseau via un convertisseur régulé par un correcteur linéaire, qui n’est robuste que localement. Notre étude concernera la continuité des travaux de [Ben 11, And 08], c’est-à-dire le développement d’un contrôleur non linéaire pour réguler non seulement la fréquence mais aussi la tension d’un système hydrolien connecté au réseau sans passer par un convertisseur de puissance.

Table des matières

Introduction générale
1. Problématique et motivations
2. Objectifs de la thèse
3. Organisation générale
Bibliographie
Chapitre 1 Généralités sur les hydroliennes
1.1 Introduction
1.2 Différentes formes d’énergie marine
1.2.1 Energie thermique
1.2.2 Energie osmotique
1.2.3 Biomasse marine
1.2.4 Energie offshore
1.2.5 Energie houlomotrice
1.2.6 Energie marémotrice
1.2.7 Energie hydrolienne
1.3 Phénomène de marée
1.4 Concept et technologie des hydroliennes
1.4.1 Composition d’une hydrolienne
1.4.2 Classification des hydroliennes
1.5 Stratégie de maximisation et de limitation de la puissance
1.6 Commande avec et sans asservissement de la vitesse mécanique
1.6.1 Commande avec asservissement de la vitesse mécanique
1.6.2 Commande sans asservissement de la vitesse mécanique
1.7 Intérêt du fonctionnement à vitesse variable
1.8 Convertisseurs électromécaniques
1.8.1 Machine asynchrone à double alimentation
1.8.2 Machine synchrone à aimant permanent
1.8.3 Machine synchrone à rotor bobiné
1.9 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 Modélisation du système hydrolien
2.1 Introduction
2.2 Modélisation de la marée
2.2.1 Caractéristiques du site du Raz de Sein
2.2.2 Modèle de la marée
2.3 Modélisation de la turbine hydrolienne
2.3.1 Potentiel de la marée et puissance extraite
2.3.2 Modèle BEM (théorie de l’élément des pales-quantité de mouvement)
2.4 Modèle du multiplicateur et de l’arbre
2.5 Modèle de la génératrice synchrone
2.5.1 Représentation d’état des systèmes
2.5.2 Notion d’unité réduite ou p.u
2.5.3 Transformation de Park
2.5.4 Modèle de la génératrice synchrone dans le référentiel de Park
2.5.5 Paramètres techniques de la génératrice synchrone
2.5.6 Représentation d’état de la machine synchrone
2.5.7 Génératrice synchrone d’ordre 3 connectée au bus infini
2.5.8 Estimation de l’angle de puissance et de la tension terminale
2.6 Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale

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