Origine des éoliennes et de leurs systèmes de commande

Les prochains paragraphes présentent brièvement certains ancêtres des éoliennes contemporaines, avec un accent sur les systèmes de commande. Leur présentation permet de comprendre la conception des systèmes de commande actuels .

Les machines présentées sont regroupées en trois familles, selon leurs caractéristiques de fonctionnement, en commençant par les machines archaïques apparues au 7e siècle. La deuxième famille regroupe les moulins à axe horizontal européens apparus au 12e siècle ainsi que les moulins américains appelés fan mills apparus en 1850. Les machines composants le dernier groupe ont toutes en commun la production d’électricité

Les machines à vent à axe vertical

Les premiers ancêtres des éoliennes modernes ont vu le jour au Seistan, une province de l’Iran située à la frontière afghane (Hau, 2006). Les moulins perses présentent un rotor à axe vertical composé de panneaux de bois et entouré d’une enceinte permettant de canaliser le vent. Ces machines tirent parti de la force de traînée afin de moudre le grain. D’autres moulins actionnés par la traînée ont également existé à la même époque en Asie pour l’irrigation et le drainage des rizières . La conception plus ingénieuse de ces derniers ne les protège cependant pas des dommages causés par le vent. En effet, aucun mécanisme ne permet de limiter la vitesse de rotation. Tout de même, la conception généralement simple et peu coûteuse de cette famille de machines à vent est probablement à l’origine de leur longévité : certains moulins perses étaient encore en exploitation en 1963 (Shepherd, 1990).

Les moulins

Les moulins à axe horizontal ont vu le jour en Europe. Leurs rotors munis de quatre pales en toile ou en bois disposées en croix agissent à la manière des voiles d’un bateau afin de générer de la portance (Manwell et al., 2010), ce qui permet un gain d’efficacité considérable en comparaison de leurs prédécesseurs (Hau, 2006) .

Mayr (1970) évoque un mécanisme de régulation ayant équipé ce type de moulin. Le baille-blé consiste en un distributeur de grain suspendu dont le déversement est déclenché par le passage d’un relief sur la meule. Une augmentation de la vitesse de rotation de la meule entraîne une plus grande quantité de grain entre les deux pierres. Cette action a pour double effet d’augmenter la production de la meule et d’augmenter la charge sur l’arbre du rotor, le ralentissant ainsi. La régulation de vitesse fut perfectionnée en 1787 par Thomas Mead avec l’invention du régulateur à boules. Pour modifier la charge au rotor, le lift-tenter ajuste l’espacement entre les pierres de la meule à l’aide d’une chaîne reliée aux deux masses excentriques du régulateur tournant avec l’arbre principal et s’élevant sous l’effet de la force centrifuge.

Un second type de système de commande permet de réguler la vitesse de rotation des moulins, mais en agissant cette fois sur la surface de la voilure de manière à modifier la force générée par le rotor. Mead en 1787 et Stephen Hopper en 1789 proposèrent des mécanismes utilisant un pendule centrifuge afin d’enrouler et de dérouler automatiquement la toile sur les pales . Ces dispositifs mécaniquement très complexes furent supplantés en utilisation par la voilure à jalousie de l’écossais Andrew Meikle (Mayr, 1970; Hau, 2006). Celle-ci consiste à diviser la pale en de multiples volets qui sont maintenus fermés par la force d’un ressort situé près du moyeu du rotor. Lorsque la pression du vent sur les pales devient équivalente à la force du ressort, les volets ouvrent et diminuent la surface de la voilure.

Les générateurs d’électricité

Les premières éoliennes alliant génération d’électricité et pales profilées semblables à celles utilisées aujourd’hui sont apparues dans les années 30 et 40 du 20e siècle. De nouveaux types de systèmes de commande issus de l’aéronautique ont été adaptés aux éoliennes afin de réguler la vitesse et la puissance de leur rotor. Entre autres, la machine de 50 kW de la compagnie F.L. Smidth utilise des aérofreins détruisant la portance des pales en cas de survitesse afin de ralentir le rotor. L’éolienne russe WIME D-30 de 100 kW, elle, emploie des volets modifiant les caractéristiques aérodynamiques des pales afin de réguler la puissance produite. Cette idée est reprise de manière plus efficace par l’éolienne Smith-Putnam : au lieu de modifier les propriétés du profil aérodynamique, seule l’incidence du vent est modifiée grâce à un système de calage variable hydraulique faisant pivoter la pale autour de son axe longitudinal (Hau, 2006). Ce type de système de commande est encore utilisé aujourd’hui et équipe l’éolienne à l’étude dans ce mémoire.

L’éolienne Smith-Putnam a aussi contourné de manière fort simple le problème de l’orientation du rotor. En plaçant ce dernier sous le vent, c’est-à-dire en aval du point de pivot de la nacelle avec la tour, Putnam a éliminé le besoin de système de commande à ce niveau (Righter, 1996).

Il est pertinent, en terminant, de mentionner les éoliennes Windchargers des frères Marcellus et Joseph Jacobs, Ces petites machines produites dès 1920 dans des variantes allant de 1,8 à 3 kW ont introduit le rotor à trois pales (Manwell et al., 2010). En plus de connaître un grand succès commercial, ces éoliennes ont acquis une réputation de très grande fiabilité, ce qui en fait un exemple à suivre pour les petites éoliennes contemporaines.

Les petites éoliennes contemporaines

Selon la Commission électrotechnique internationale (IEC), la dénomination petite éolienne s’applique à une machine présentant surface de rotor de moins de 200 m², ce qui correspond à un rayon de 16 m et à une production d’environ 50 kW (International Electrotechnical Commission, 2005). Au Canada, une petite éolienne possède une puissance entre 1 et 30 kW (Association canadienne de l’énergie éolienne, 2010). Une éolienne de dimension inférieure est qualifiée de mini éolienne.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 La commande
1.1.1 Le système de commande
1.2 Origine des éoliennes et de leurs systèmes de commande
1.2.1 Les machines à vent à axe vertical
1.2.2 Les moulins
1.2.3 Les générateurs d’électricité
1.3 Les petites éoliennes contemporaines
1.3.1 Constituants des petites éoliennes
1.3.2 Système de génération
1.4 Exploitation d’une éolienne
1.4.1 Aérodynamique
1.4.2 Stratégies d’exploitation d’une éolienne
1.4.2.1 Exploitation à vitesse fixe et calage fixe (VF-CF)
1.4.2.2 Exploitation à vitesse variable et calage fixe (VV-CF)
1.4.2.3 Exploitation à vitesse variable et calage variable (VV-CV)
1.5 Stratégies de commande
1.5.1 Commande classique
1.5.2 Commande moderne
1.5.3 Conversion entre la commande classique et la commande moderne
1.5.4 Systèmes discrets
1.5.5 Stratégies de commande en éolien
1.5.5.1 Stratégie proportionnelle intégrale (PI)
1.5.5.2 Stratégies optimales
1.5.5.3 Stratégie d’accommodation à la perturbation (DAC)
1.5.5.4 Stratégies adaptatives
1.5.5.5 Stratégie de la variation linéaire de paramètre (LPV)
1.5.5.6 Stratégies de logique floue
1.5.6 Systèmes de commande simultanée
1.6 Mécanique des vents
1.6.1 Les vents globaux
1.6.2 Les vents locaux
1.7 Normes et indicateurs de performance
1.7.1 La courbe de puissance
1.7.2 La disponibilité
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Processus de développement d’une stratégie de commande
2.2 Choix du logiciel de modélisation d’éolienne
2.3 Déroulement du projet
CHAPITRE 3 L’ÉOLIENNE DU WESNET
3.1 Le système de génération
3.2 Le système de calage variable
3.2.1 Composantes mécaniques
3.2.2 Composantes électriques
3.2.3 Programmation de base de la routine de calcul de l’angle de calage
3.3 Modèles de l’éolienne
3.3.1 Modélisation FAST
3.3.2 Modélisation SIMULINK
3.3.2.1 Le système de génération
3.3.2.2 Le système de calage variable
3.3.2.3 Le capteur de vitesse
3.3.3 Linéarisation
3.3.4 Les cas de vents de la simulation non linéaire
CHAPITRE 4 MESURES ET TRAITEMENT DES DONNÉES
4.1 Acquisition de données
4.1.1 Les mesures des capteurs
4.2 Traitement des données des indicateurs de performances
4.2.1 Sélection des données
4.2.2 Normalisation et correction des données
4.2.3 Incertitude sur la puissance
CHAPITRE 5 CONCEPTION DE LA STRATÉGIE DE COMMANDE PI
5.1 Méthode de sélection des gains
5.2 Simulation linéaire
5.3 Simulation non linéaire
5.4 Implantation de la stratégie dans le module de commande
5.5 Résultats expérimentaux et vérification du modèle non linéaire
CHAPITRE 6 CONCEPTION DE LA STRATÉGIE DE COMMANDE DAC
6.1 Méthode de sélection des gains
6.2 Simulation linéaire
6.3 Simulation non linéaire
6.4 Implantation de la stratégie dans le module de commande
6.5 Résultats expérimentaux
CHAPITRE 7 COMPARAISON DES STRATÉGIES DE COMMANDE
7.1 Courbes de puissance
7.2 Perte de disponibilité
7.3 Comparaison des données de fonctionnement
CONCLUSION