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Généralité sur l’exploitation des énergies marines et sur l’énergie hydrolienne
Potentiel énergétique des énergies marines
Etant donné que la demande en énergie va augmenter au cours des prochaines années du fait de la croissance démographique que va connaître le monde (la population mondiale sera d’environ à 9.5 milliards d’habitants en 2050), la demande d’énergie primaire augmentera dans le même sens. La demande en énergie électrique devrait croître encore plus rapidement du fait de l’augmentation de nouvelles technologies (voitures électriques par exemple). Ainsi la production mondiale devrait être portée en 2050 aux alentours de 55000 TWh, soit 170 % de celle de 2010 [10]. Afin de satisfaire ces besoins en électricité, diversifier les sources d’énergies et s’intéresser à de nouvelles formes d’énergie est nécessaire.
De ce fait, trois priorités ont été identifiées après le conseil mondial de l’énergie (Montréal 2010 [10]) :
✦ Assurer la sécurité de l’approvisionnement en énergie électrique.
✦ Contrôler l’impact de l’augmentation de la production d’électricité sur le climat et l’environnement.
✦ Contrôler une éventuelle augmentation du prix de l’électricité de façon à ne pas accentuer les inégalités entre les populations.
Enjeu industriel des énergies marines
La complexité en termes de coût et d’accessibilité des énergies marines fait que leur exploitation concerne principalement les grands acteurs industriels. Néanmoins, la réalisabilité des systèmes doit répondre à des critères liés au coût d’investissement, à la rentabilité ainsi qu’aux éventuels risques industriels pouvant être rencontrés. C’est la raison pour laquelle les bailleurs de fond et les établissements prêteurs exigent un montage financier qui prend en compte tous ces facteurs, avant d’accorder un financement du projet à hauteur de 75 à 80 % des dépenses d’investissement (CAPEX : capital expenditure), les 20 à 25 % restantes sont apportés par les associés [10]. Dans ce contexte, les PME et PMI seront chargés de délivrer des fournitures et prestations en tant que sous-traitant [10]. Les coûts de construction des installations de production d’électricité en mer, que ça soit des fermes d’aérogénérateurs, d’hydroliennes, d’houlogénérateurs ou d’autres systèmes s’élèvent généralement à plusieurs millions d’euros. Ainsi, le montage industriel doit être le plus robuste possible de par sa structure, afin d’intégrer les risques liés à l’environnement et aux nouvelles technologies.
Contraintes d’exploitation des énergies marines
Parmi les énergies marines, l’énergie hydrolienne, connait des difficultés d’exploitation malgré de son fort potentiel. En effet il existe un certain nombre de contraintes qui font que son exploitation reste difficile et inaccessible à tous. Parmi celles-ci :
✦ La contrainte liée à la tenue mécanique des installations en milieu fluide.
✦ Les contraintes liées à la prévision des aléas météorologiques extrêmes : les mouvements de l’eau sur la turbine sont en effet influencés de manière significative par l’état de la mer sur des sites qui sont pour la plupart de faible profondeur. Il alors faut alors que les installations soient conçues de façon à pouvoir résister à des états de mer extrêmes pour que l’énergie puisse être exploitée à long terme.
✦ Les contraintes liées à l’accessibilité : La maintenance ou l’installation des hydroliennes nécessite la présence de personnels et de moyens techniques et l’accès en toute sécurité au site est souvent rendu impossible par la valeur des courants de marées ou les conditions météorologiques.
Choix technologique et stratégie de production pour des hydroliennes robustes
La mise en place d’une installation hydrolienne nécessite une étude préalable du site pour en évaluer ses potentialités et son aptitude à rentabiliser l’investissement envisagé [10, 16].
En outre, dans la mesure où il est requis de minimiser les systèmes mécaniques, dans une optique de tolérance aux défauts, l’utilisation d’une MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents) avec un convertisseur à IGBT associée en entrainement direct à une turbine à pas fixe semble s’avérer un choix intéressant en termes de compromis coût/robustesse. Cependant le fait de ne pas avoir de contrôle de pas impose que l’ensemble de la stratégie de contrôle de la turbine soit assurée par le pilotage du convertisseur et de la génératrice. Il est alors possible d’extraire, pour les faibles valeurs de courant marin, le maximum de la puissance extractible en pilotant la turbine en vitesse variable la turbine au point de puissance optimale (MPPT). Pour les fortes valeurs de courant (au-delà de la valeur nominale) on peut appliquer une stratégie de limitation de puissance en pilotant la turbine en survitesse par rapport au point optimal de manière à se limiter à la puissance nominale. Nous supposerons pour la suite de l’étude que cette solution technologique associée à cette stratégie . Cette solution impose alors, afin d’appliquer une stratégie d’extraction optimale avec limitation de puissance de pouvoir suivre une caractéristique couple vitesse particulière au niveau de l’ensemble convertisseur/machine. Cette caractéristique comprend un mode de survitesse de type défluxage sur une large plage de fonctionnement. Cette caractéristique constitue alors un des principaux éléments du cahier des charges associé au dimensionnement de l’ensemble convertisseur/génératrice.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Analyse des contraintes technologiques de l’exploitation d’énergie marine et des solutions électromécaniques
II-Généralité sur l’exploitation des énergies marines et sur l’énergie hydrolienne
II-1-Potentiel énergétique des énergies marines
II-2-Enjeu industriel des énergies marines
II-3-Contraintes d’exploitation des énergies marines
II-4-Comparaison entre l’hydrolienne et l’éolienne
II-5-Choix technologique et stratégie de production pour des hydroliennes robustes
II-6-Etude sur les natures et les fréquences des défauts dans les systèmes d’exploitation des énergies marines
III-Etude des ensembles convertisseurs-MSAP tolérants aux défauts
III-1-Architectures de convertisseurs tolérants aux défauts
III-2-Etude des MSAP tolérants aux défauts
IV-Analyse des stratégies de commande en modes dégradés des MSAP
IV-1-Stratégies de commandes en modes dégradés de MSAP triphasées
IV-2-Stratégies de commandes en modes dégradés de MSAP polyphasées
V-Conclusion
Chapitre II : Stratégies de commande en mode sain et en modes dégradés en vitesse variable des machines synchrones polyphasées à aimants permanents (MSAP)
I-Introduction
II-Modélisation du point de vue de la commande des machines synchrones à aimants permanents à pôles lisses
II-1-Modèle électrique d’une MSAP polyphasée dans la base naturelle
II-2-Modèle électrique d’une MSAP dans une nouvelle base
II-2-1-Détermination d’une base de découplage
II-2-2-Modèle électrique de la MSAP dans la nouvelle base
II-2-3-Répartition des harmoniques des grandeurs électriques sur les machines fictives
II-2-4-Exemples applicatifs sur les structures triphasées et pentaphasées de MSAP
II-2-5-Structures de commande des MSAP en vitesse variable
III-STRATEGIES DE COMMANDE EN VITESSE VARIABLE DES MACHINES
SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS POLYPHASEES
III-1-Stratégie de commande des structures double triphasées
III-1-1-Stratégie de commande en mode sain des structures double triphasées
III-1-2-Stratégie de commande en modes dégradés des structures double triphasées
III-2-Stratégie de commande des structures pentaphasées
III-2-1-Hypothèses de commande
III-2-2-Stratégie de commande en mode sain
III-2-3-Stratégies de commande en modes dégradés
IV-Conclusion
Chapitre III : Outils de caractérisation des topologies de Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) polyphasées à pôles lisses en modes sain et dégradés
INTRODUCTION
I-Bobinage des Machines Synchrones à Aimants Permanents polyphasées
I-1-Bobinage à pas entier
I-2-Bobinage à pas fractionnaire
I-2-1-Généralités et caractéristiques
I-2-2-Règles de symétrie et faisabilité
I-2-3-Construction d’un bobinage concentré autour des dents
II-Outil de caractérisation des bobinages
II-1-Calcul des coefficients de bobinage
II-2-Calcul analytique des FEMs
II-3-Calcul du couple
II-4-calcul d’inductances d’une MSAP à bobinage concentré autour des dents
III-Etudes de cas
III-1- Comparaison de structures de bobinage de machines 5 phases pour un
fonctionnement à vitesse variable en mode sain et dégradé
III-2- Etude d’une structure triphasée à double étoile décalée
IV-Détermination d’autres critères de performance des MSAP à pôles lisses
IV-1-Pertes par courant induit dans les aimants
IV-1-1- Analyse qualitative contenu harmonique de la FMM en mode sain et dégradés
IV-2-Evaluation qualitative des forces radiales
V-Conclusion
Chapitre IV : Etude du cycle de fonctionnement sur site de l’ensemble turbine hydrolienne à pas fixe, convertisseur et MSAP en modes sain et dégradés
I-INTRODUCTION
II-Choix du site
II-Choix de la turbine
II-1-Modélisation de la turbine
II-2-Stratégie de pilotage de la turbine[19]
III-Caractéristiques de l’ensemble convertisseur-machine
III-1-Choix des données caractéristiques de la MSAP en mode sain
III-2-Application aux structures étudiées
III-2-1-Application à une MSAP à 5 phases associée à un convertisseur à 5 « bras »
III-2-2-Application à une MSAP à 2X3 phases associée à deux convertisseurs
indépendants à 3 « bras »
IV-CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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