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Principaux composants d’une éolienne
Il existe plusieurs configurations possibles d’aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. Néanmoins, une éolienne « classique » est généralement constituée de trois éléments principaux:
• Le mât (la tour), généralement un tube d’acier ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW: diamètre de 90m, mât de 80 m de hauteur).
• La nacelle, regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s’ajouter le système de refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l’éolienne.
• Le rotor, formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit[w.win] .
Les rotors à vitesse fixe sont souvent munis d’un système d’orientation de la pale permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d’écureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d’être connectée directement au réseau sans dispositif d’électronique de puissance. Ce système allie ainsi simplicité et faible coût.
Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux car le dispositif d’orientation des pales est simplifié voire supprimé (La société Jeumont Industrie utilise un rotor à pas fixe). Toutefois, une interface d’électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est nécessaire. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont constituées (actuellement, les matériaux composites tels la fibre de verre et plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique).
Les différents types d’éoliennes
Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe vertical et celles à axe horizontal.
Eolienne à axe horizontal
Elles sont similaires aux éoliennes que l’on rencontre actuellement sur les fermes éoliennes. Les caractéristiques des éoliennes à axe horizontal sont les suivantes : de petite taille, de 5 à 20 m avec un diamètre compris entre 2 et 10 m, et avec une production pouvant aller jusqu’à 20 kW
Eolienne à axe vertical
Elles ont été conçues pour s’adapter au mieux avec les contraintes engendrées par les turbulences du milieu urbain comme décrit ci-dessus. Grâce à ce design, elles peuvent fonctionner avec des vents provenant de toutes les directions et sont moins soumises à ces perturbations que les éoliennes à axe horizontal. Elles sont relativement silencieuses et peuvent facilement s’intégrer au design des bâtiments. Leurs faiblesses résident principalement dans la faible maturité du marché (coûts d’investissement élevés) et leur coefficient de puissance inférieur à celui offert par les turbines à axe horizontal. En raison de leur petite taille, l’énergie produite reste faible. Ces éoliennes trouvent donc leur place essentiellement dans le milieu urbain Eolienne à axe horizontal ou à axe vertical ?
En milieu urbain, la vitesse du vent et sa direction sont imprévisibles, surtout près des bâtiments. Là où la turbulence ne peut être évitée, les éoliennes à axe vertical peuvent plus facilement capter le vent. D’autre part, les éoliennes peuvent être classées selon leur caractéristique aérodynamique, c’est-à-dire fonctionnant avec un design utilisant la portance ou la traînée. Les éoliennes à axe horizontal fonctionnent avec la portance alors que les éoliennes à axe vertical utilisent soit la traînée (Savonius) soit la portance (Darrieus).
L’éolienne de modèle Darrieus se caractérise par la forme en C de ces pales qui rappelle vaguement un batteur. Elle est normalement constituée de deux ou trois pales. L’éolienne utilise l’effet de la portance. Il existe différents types de machine utilisant ce principe : conique, cylindrique ou parabolique. L’éolienne peut être fixée par des haubans. L’éolienne Wind Wall est un exemple de machine Darrieus alors que le modèle Turby est connu pour être basé sur un design Darrieus modifié.
L’éolienne de modèle Savonius utilise la traînée différentielle entre les aubes constituées de parties cylindriques en opposition. Un couple se crée mettant alors le générateur en mouvement. La vitesse de démarrage de ces machines est plutôt basse, autour de 2 m/s (λ~0.5). Les éoliennes à axe vertical s’adaptent particulièrement bien aux effets de la turbulence. De plus, ce design ne fait pas beaucoup de bruit et finalement convient bien au milieu urbain. En revanche, ce concept est fortement pénalisé par son coefficient de puissance (Cp max~0.2)
En conclusion, en terme de coûts, les éoliennes à axe horizontal sont à l’heure actuelle moins chères que les éoliennes à axe vertical et connaissent également de meilleurs rendements énergétiques. Cependant, les éoliennes à axe horizontal posent quatre problèmes qui sont moins cruciaux pour les éoliennes à axe vertical : le bruit, les vibrations, la sécurité, l’orientation du flux éolien et sa variation.
Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique
Loi de Betz
Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la figure (1.6) sur lequel on a représenté la vitesse du vent V1 en amont de l’aérogénérateur et la vitesse V2 en aval.
En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la vitesse du vent non perturbé à l’avant de l’éolienne V1 et la vitesse du vent après passage à travers le rotor V2 soit (V1+V2)/2, la masse d’air en mouvement de densité ρ traversant la surface S des pales en une seconde est: m = ρ S(V1 +V2) (1.1)
La puissance Pm alors extraite s’exprime par la moitié du produit de la masse et de la diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) : Pm = m(V 2 −V 2) (1.2)
Chaînes de conversion électromécanique
Diverses chaînes de production coexistent pour la production d’électricité par aérogénérateurs. Elles peuvent être très différentes selon que l’on est en forte ou en petite puissance, en fonctionnement à vitesse fixe (ou peu variable) ou à vitesse variable. On peut, par exemple, classer ces solutions par leur fonctionnement couplé ou non au réseau.
Systèmes couplés au réseau alternatif
Génératrices asynchrones à cage
C’est dans les grandes puissances (au-delà de 100 kW) que l’on rencontre des systèmes reliés au réseau et produisant “au fil du vent”. Au départ, le faible coût et la standardisation des machines asynchrones a conduit à une très large domination des génératrices asynchrones à cage directement couplées au réseau (sans interface électronique de puissance) jusqu’à des puissances dépassant le mégawatt. Les machines asynchrones à cage ne nécessitent qu’une installation assez sommaire. Elles sont souvent associées à une batterie de condensateurs de compensation de la puissance réactive, et à un démarreur automatique progressif à gradateur ou à résistances permettant de limiter le régime transitoire d’appel de courant au moment de la connexion au réseau. Dans le cas des aérogénérateurs de dimensions importantes (puissance, rayon des pales), la vitesse de rotation est peu élevée, ce que nécessite d’insérer un multiplicateur mécanique de vitesse comme le montre la figure (1.12).
Machines asynchrones à double alimentation (MADA)
La machine asynchrone à rotor bobiné à double alimentation présente un atout considérable. Son principe est issu de celui de la cascade hypo synchrone : le stator (ou le rotor) est connecté à tension et fréquence fixes au réseau alors que le rotor (ou le stator) est relié au réseau à travers un convertisseur de fréquence (plus ou moins élaboré). Si la variation de vitesse requise reste réduite autour de la vitesse de synchronisme, le dimensionnement du convertisseur de fréquence (électronique de puissance) peut être réduit.
Ces machines sont un peu plus complexes que des machines asynchrones à cage avec lesquelles elles ont en commun de nécessiter un multiplicateur de vitesse. Leur robustesse est légèrement diminuée par la présence de système à bagues et balais, mais le bénéfice du fonctionnement à vitesse variable est un avantage suffisant pour que de très nombreux fabricants (Vestas, Gamesa…) utilisent ce type de machine.
Une des solutions très intéressantes et permettant d’obtenir une variation de la vitesse de rotation d’environ 30% autour de la vitesse de synchronisme consiste à coupler le rotor de la génératrice à double alimentation au rotor à travers deux onduleurs MLI triphasés, l’un en mode redresseur, l’autre en onduleur réseau (Figure 1.14). En général, le dimensionnement de la chaîne rotorique se limite à 25% de la puissance nominale du stator de la machine électrique, ce qui suffit à assurer une variation de 30% de la plage de vitesse. Ceci constitue le principal avantage de cette structure. Par contre son inconvénient majeur est lié aux interactions avec le réseau, en particulier les surintensités engendrées par des creux de tension du réseau.
Ces machines sont un peu plus complexes que des machines asynchrones à cage avec lesquelles elles ont en commun de nécessiter un multiplicateur de vitesse. Leur robustesse est légèrement diminuée par la présence de système à bagues et balais, mais le bénéfice du fonctionnement à vitesse variable est un avantage suffisant pour que de très nombreux fabricants (Vestas, Gamesa…) utilisent ce type de machine.
Une des solutions très intéressantes et permettant d’obtenir une variation de la vitesse de rotation d’environ 30% autour de la vitesse de synchronisme consiste à coupler le rotor de la génératrice à double alimentation au rotor à travers deux onduleurs MLI triphasés, l’un en mode redresseur, l’autre en onduleur réseau (Figure 1.14). En général, le dimensionnement de la chaîne rotorique se limite à 25% de la puissance nominale du stator de la machine électrique, ce qui suffit à assurer une variation de 30% de la plage de vitesse. Ceci constitue le principal avantage de cette structure. Par contre son inconvénient majeur est lié aux interactions avec le réseau, en particulier les surintensités engendrées par des creux de tension du réseau.
Systèmes non couplés au réseau alternatif
Pour les réseaux de petites puissances en site isolé, une solution couramment employée consiste à associer les aérogénérateurs à un ou des groupes électrogènes, souvent diesel. Dans la version la plus rudimentaire, la génératrice est de type asynchrone à cage et est auto amorcée par condensateurs [10]. Pour éviter des démarrages trop fréquents du groupe électrogène, ou pour assurer les transitions, des batteries électrochimiques, voire des accumulateurs inertiels, peuvent également être associés via un convertisseur électronique. Les inconvénients principaux de ce type de chaîne sont dus à la rigidité (vitesse faiblement variable par glissement de la GAS), l’absence d’optimisation de puissance et la nécessité d’un multiplicateur de vitesse [11].
Une autre solution couramment employée consiste à utiliser un bus continu intermédiaire avant de transformer l’énergie en courant alternatif. Dans le cas des très petites puissances, l’énergie est directement consommée en courant continu. Le bus continu présente l’avantage d’interconnecter plus aisément divers systèmes de production (éolien, photovoltaïque, pile à combustible…) et des batteries électrochimiques qui peuvent se trouver directement en tampon sur de tels bus [12].
La figure (1.17) montre une solution originale et de faible coût pour associer un aérogénérateur à un tel système. La génératrice est de type synchrone à aimants permanents (entraînement direct comme il s’agit de puissances modestes) débitant directement, à travers un pont de diodes triphasé, sur le bus continu et l’accumulateur électrochimique.
Le débit direct (à travers un simple redresseur en pont à diodes) de la machine synchrone sur une source de tension continue peut surprendre. En fait, c’est grâce à l’inductance d’induit de la machine synchrone de forte valeur que les courants restent proches des formes sinusoïdales et que les rendements de conversion sont corrects. En cas de surcharge de la batterie (trop de tension), un contacteur met en court-circuit l’induit de la génératrice. La turbine est alors arrêtée en rotation.
Pour de faibles rayons de pales, les rotors tournent suffisamment vite pour que la conception des générateurs reste classique. Cependant, comme nous le montrons ci – dessous, une conception de la génératrice dédiée à l’application est nécessaire, selon la turbine et la chaîne de conversion d’énergie utilisées [11] .
Une autre solution couramment employée consiste à utiliser un bus continu intermédiaire avant de transformer l’énergie en courant alternatif. Dans le cas des très petites puissances, l’énergie est directement consommée en courant continu. Le bus continu présente l’avantage d’interconnecter plus aisément divers systèmes de production (éolien, photovoltaïque, pile à combustible…) et des batteries électrochimiques qui peuvent se trouver directement en tampon sur de tels bus [12].
La figure (1.17) montre une solution originale et de faible coût pour associer un aérogénérateur à un tel système. La génératrice est de type synchrone à aimants permanents (entraînement direct comme il s’agit de puissances modestes) débitant directement, à travers un pont de diodes triphasé, sur le bus continu et l’accumulateur électrochimique.
Le débit direct (à travers un simple redresseur en pont à diodes) de la machine synchrone sur une source de tension continue peut surprendre. En fait, c’est grâce à l’inductance d’induit de la machine synchrone de forte valeur que les courants restent proches des formes sinusoïdales et que les rendements de conversion sont corrects. En cas de surcharge de la batterie (trop de tension), un contacteur met en court-circuit l’induit de la génératrice. La turbine est alors arrêtée en rotation.
Pour de faibles rayons de pales, les rotors tournent suffisamment vite pour que la conception des générateurs reste classique. Cependant, comme nous le montrons ci – dessous, une conception de la génératrice dédiée à l’application est nécessaire, selon la turbine et la chaîne de conversion d’énergie utilisées [11] .
Architectures pour le petit éolien ilotables et maximisation de la puissance
Les éoliennes utilisées pour la production de l’électricité doivent permettre de produire un maximum de puissance en exploitant au mieux l’énergie disponible dans le vent. C’est pour cette raison que de nombreux systèmes de commande de l’éolienne, agissant au niveau de la partie mécanique ou électrique, sont développés pour maximiser la conversion d’énergie.
On parle alors de recherche du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT en anglais pour Maximum Power Point Traking). Ces systèmes utilisent différents moyens afin d’obtenir ce point de puissance maximum. Il est possible de modifier l’angle de calage des pales ou bien encore de jouer sur la commande de la génératrice pour adapter l’impédance de charge.
Dans le cas des systèmes de petite puissance (de 100 W à quelques kW) surtout dédiés aux sites isolés, les chaînes de conversion d’énergie sont alors très différentes de celles de grande puissance. Elles sont souvent basées sur l’utilisation d’un alternateur triphasé à aimants permanents multipolaires, à entraînement direct (sans multiplicateur mécanique), débitant à travers une chaîne de puissance plus ou moins complexe sur un accumulateur électrochimique généralement basse tension.
Dans cette gamme de puissance, la génératrice peut tout d’abord débiter sur une batterie à travers un redresseur à MLI (voire Figure 1.18). Cette structure permet d’assurer un contrôle dynamique et fiable en vitesse ou en couple de la génératrice, ce qui permet facilement de déplacer le point de fonctionnement sur toute la plage des vitesses de rotation et ainsi, d’effectuer par ce biais une recherche de la puissance maximale souhaitée. En revanche, elle est assez coûteuse et complexe à mettre en œuvre: elle nécessite en effet des capteurs électrique et mécanique ainsi qu’un convertisseur statique et d’un dispositif de commande onéreux.
On parle alors de recherche du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT en anglais pour Maximum Power Point Traking). Ces systèmes utilisent différents moyens afin d’obtenir ce point de puissance maximum. Il est possible de modifier l’angle de calage des pales ou bien encore de jouer sur la commande de la génératrice pour adapter l’impédance de charge.
Dans le cas des systèmes de petite puissance (de 100 W à quelques kW) surtout dédiés aux sites isolés, les chaînes de conversion d’énergie sont alors très différentes de celles de grande puissance. Elles sont souvent basées sur l’utilisation d’un alternateur triphasé à aimants permanents multipolaires, à entraînement direct (sans multiplicateur mécanique), débitant à travers une chaîne de puissance plus ou moins complexe sur un accumulateur électrochimique généralement basse tension.
Dans cette gamme de puissance, la génératrice peut tout d’abord débiter sur une batterie à travers un redresseur à MLI (voire Figure 1.18). Cette structure permet d’assurer un contrôle dynamique et fiable en vitesse ou en couple de la génératrice, ce qui permet facilement de déplacer le point de fonctionnement sur toute la plage des vitesses de rotation et ainsi, d’effectuer par ce biais une recherche de la puissance maximale souhaitée. En revanche, elle est assez coûteuse et complexe à mettre en œuvre: elle nécessite en effet des capteurs électrique et mécanique ainsi qu’un convertisseur statique et d’un dispositif de commande onéreux.
Modélisation de la génératrice synchrone à aimants permanents :
Cette machine comporte comme toutes les autres machines triphasées un stator bobiné. Mais, dans ce cas là (MSAP) le rotor est remplacé par des aimants, et ceci présente l’avantage d’éliminer le système balais bague, les pertes rotoriques ainsi que la présence d’une source d’alimentation afin de fournir le courant d’excitation. [18]
Modèle mathématique de la GSAP dans le référentiel généralisé
Le modèle mathématique de la génératrice synchrone à aimants permanents nécessite l’adoption de certaines hypothèses simplificatrices, car cela permet une étude et une exploitation plus aisées. Ces simplifications proviennent des propriétés des machines à courants alternatifs [19].
• La saturation du circuit magnétique est négligée ;
• La distribution sinusoïdale des f.m.m crées par les enroulements statorique ;
• L’effet d’encochage est négligé ;
• La résistance des enroulements ne varie pas avec la température ;
• L’hystérésis, l’effet de peau et les courants de Foucault sont aussi négligés.
• La saturation du circuit magnétique est négligée ;
• La distribution sinusoïdale des f.m.m crées par les enroulements statorique ;
• L’effet d’encochage est négligé ;
• La résistance des enroulements ne varie pas avec la température ;
• L’hystérésis, l’effet de peau et les courants de Foucault sont aussi négligés.
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Table des matières
Introduction générale
1 Etat de l’art sur les systèmes éoliens
1.1 Introduction
1.2 Descriptif et qualités de l’énergie éolienne
1.2.1 Définition de l’énergie éolienne
2.2 Principaux composants d’une éolienne
1.3 Les différents types d’éoliennes
1.3.1 Eolienne à axe horizontal
1.3.2 Eolienne à axe vertical
1.4 Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique
1.4.1 Loi de Betz
1.4.2- Production d’énergie mécanique
1.4.3-Production optimale d’énergie
1.5 Chaînes de conversion électromécanique
1.5.1 Systèmes couplés au réseau alternatif
1.5.1.1 Génératrices asynchrones à cage
1.5.1.2 Machines asynchrones à double alimentation (MADA)
1.5.1.3 Génératrices synchrones
1.5.2 Systèmes non couplés au réseau alternatif
1.5.3 Le petit éolien
1.5.4 Eolien urbain
1.5.5 Architectures pour le petit éolien ilotables et maximisation de la puissance
1.6 Structure retenue pour notre étude
1.7 Conclusion
2 Modélisation et simulation du vent et de la turbine
2.1 Introduction
2.2 Modèle du vent
2.2.1 Carte de vent en Algérie
2.2.2 Bloc de simulation du vent
2.2.3 Résultat de la simulation du vent
2.3 Modélisation de la turbine
2.3.1 Bloc de simulation de la turbine éolienne
2.3.2 Paramètres utilisés dans la simulation
2.3.3 Résultats de la simulation
2.4 Conclusion
3 Modélisation et simulation de la génératrice et du convertisseur statique
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation de la machine
3.3 Modélisation de la génératrice synchrone à aimants permanents
3.3.1 Modèle mathématique de la GSAP dans le référentiel généralisé
3.3.2 Modèle biphasé de la GSAP dans le référentiel généralisé
3.3.3 Modélisation biphasé en charge de la GSAP
3.3.4 Expressions du couple électromagnétique et de la vitesse rotorique
3.3.5 Bloc de simulation de la GSAP
3.3.6 Paramètre de simulation
3.3.7 Résultats de la simulation en charge
3.4 Convertisseur statique
3.4.1 Pont de diodes
3.4.1.1 Modèle du redresseur à diodes
3.4.1.2 Rappel sur les règles de conduction d’une diode
3.4.1.3 Modèle du redresseur monophasé à diode
3.4.1.4 Modélisation et simulation d’un pont de diode sans prise en compte de l’empiétement
3.4.1.5 Bloc de simulation du pont de diode
3.4.1.6 Paramètre de simulation du redresseur
3.4.1.7 Résultats de simulation
3.4.2 Onduleur de tension
3.4.2.1 Modélisation des onduleurs de tension
3.4.2.2 Contrôle du courant par M.L.I
3.4.2.3 MLI à échantillonnage naturel
3.4.2.4 Bloc de simulation de l’onduleur de tension
3.4.2.5 Paramètre de simulation
3.4.2.6 Résultat de simulation
3.5 Conclusion
4 Modélisation et simulation du système complet
4.1 Introduction
4.2 Difficulté de modélisation du système complet
4.3 Modélisation de la chaîne éolienne
4.3.1 Bloc de simulation du système complet
4.3.2 Paramètres de simulation
4. 3.3 Résultat de la simulation du système complet
4.3.3.1 Influence du profil du vent sur les paramètres mécaniques de la chaîne.
4.3.3.2 Influence du profil du vent sur les paramètres énergétiques de la chaîne
4.3.3.3 Influence du profil du vent sur les paramètres électriques de la chaîne
4.4 Conclusion
Conclusion générale
Annexe
Références bibliographiques
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