Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration dans la gestion d’un réseau électrique

L’aérogénérateur

   Un aérogénérateur, plus couramment appelé éolienne, est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice. Selon leur puissance nominale, les éoliennes sont divisées en trois catégories [Mul 08]:
x Eoliennes de petite puissance : inférieure à 40 kW
x Eoliennes de moyenne puissance : de 40 à quelques centaines de kW.
x Eoliennes de forte puissance : supérieure à 1 MW.

Les éoliennes à vitesse fixe

   Les premières éoliennes commercialisées reposent sur l’utilisation d’une machine asynchrone à cage directement couplée sur le réseau électrique (Fig. I.6). Un multiplicateur de vitesse entraîne cette machine à une vitesse qui est maintenue approximativement constante grâce à un système mécanique d’orientation des pales. Une batterie de condensateurs est souvent associée pour compenser la puissance réactive nécessaire à la magnétisation de la machine asynchrone à cage. La conception des turbines éoliennes à vitesse fixe est fortement liée aux caractéristiques aérodynamiques et mécaniques. Le temps de réponse de certaines de ces parties se situe dans la gamme de la dizaine de millisecondes [Fra 05]. En conséquence, en cas de rafales de vent, on peut observer une variation rapide et importante de la puissance électrique générée. Cette configuration présente les inconvénients suivants :
x Un dispositif consommateur d’énergie réactive nécessaire à la magnétisation de la machine asynchrone,
x Bruyant, à cause de la modification du système d’orientation des pales fortement sollicité,
x Variations fréquentes du couple mécanique à cause du mouvement des pales pour garder une vitesse constante, ce qui entraîne des variations rapides du courant dans le réseau,
x Impossibilité de réglage de la puissance générée.

Eoliennes à vitesse variable commandées par le stator

   Les machines électrique qui sont couramment utilisées pour ce genre d’éoliennes, directement couplées au réseau, sont les machines asynchrone à cage et synchrone à aimant permanent. La machine asynchrone à cage est généralement couplée à la turbine via un multiplicateur de vitesse (Fig. I.9), tandis que la machine synchrone à aimant permanent peut être couplée aussi à la turbine à travers un multiplicateur (Fig. I.10.a) ou couplée directement à la turbine (Fig. I.10.b) si la machine comporte un grand nombre de pôles évitant ainsi le multiplicateur de vitesse [Moh 04] [Fra 05]. Le fonctionnement à vitesse variable de ces éoliennes est devenu possible grâce au développement des convertisseurs statiques et de leurs dispositifs de commande. En effet, deux convertisseurs statiques interfacés par un bus continu sont utilisés. La connexion de ces convertisseurs est réalisée au moyen de trois inductances de lissage permettant de réduire significativement les harmoniques de courant. Le premier convertisseur assure le contrôle de la puissance générée en agissant sur la vitesse du générateur. Ceci permet de limiter le système d’orientation des pales à une fonction de sécurité par grand vent [Rob 06]. Le second permet avec une commande adéquate de délivrer des courants de fréquence fixe correspondant à celle du réseau, avec la possibilité de régler le facteur de puissance (puissance réactive). La puissance nominale de la machine détermine alors la puissance maximale que peut fournir l’éolienne. Malgré le fonctionnement à vitesse variable, cette technologie d’éoliennes présente plusieurs inconvénients :
x Le dimensionnement des convertisseurs utilisés est effectué pour transiter la totalité de la puissance échangée entre la machine et le réseau,
x Le dimensionnement des filtres est également réalisé pour transiter la puissance totale. Cela engendre des problèmes de conception, d’encombrement et également une répercussion sur le coût [Fra 05],
x L’augmentation des pertes des convertisseurs de puissance avec l’augmentation de la puissance des éoliennes, ce qui influe sur le rendement du système éolien et cela, sur la plage entière de fonctionnement.

Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la MADA

   Tel qu’il est mentionné auparavant, le fonctionnement à vitesse variable de la MADA est atteint avec un convertisseur statique (back-to-back) conçu pour transiter environ 30% de la puissance nominale. Par conséquent, le prototype de l’éolienne commercialisé de 6 MW est équipé d’un convertisseur statique (back-to-back) de 2MW conçu pour un fonctionnement à basse tension (690V). Un transformateur élévateur est généralement utilisé pour se connecter au réseau. Plusieurs convertisseurs sont conçus spécialement pour le contrôle des éoliennes à base de MADA, par exemple, la topologie refroidie à l’eau « water-cooled Prowind » de la société Converteam » [Pro 10] [Lis 11]. Ces convertisseurs sont conçus pour fonctionner à la basse tension (690 V), avec une technologie modulaire. Celle-ci permet une connexion de plusieurs convertisseurs (back-to-back) en parallèle (Fig. I.15) pour augmenter la puissance totale. L’ACS800 est une autre topologie de convertisseurs fabriquée par ABB avec une gamme de puissance (1–3.8 MW) et de tension (525–690 V). Cette topologie est utilisée spécialement pour le contrôle des éoliennes à base de la MADA qui arrive jusqu’à 6 MW [And 07]. La densité de puissance de ces convertisseurs utilisés généralement pour le contrôle des éoliennes à base de la MADA n’est pas appropriée aux applications offshores, où le poids et l’espace sont d’une importance primordiale. A titre d’exemple, le Convertisseur AC800 a une densité de puissance d’environ 0,43 MW/m3 [And 07]. La densité de puissance peut être augmentée en utilisant une topologie basée sur l’utilisation des convertisseurs matriciels [Car 09], [Pen 09] éliminant ainsi le bus continu. Néanmoins, l’absence du bus continu permet un couplage direct entre l’éolienne et le réseau ce qui induit de sérieux problèmes lors d’une défaillance du réseau électrique (ex : creux de tensions) [Car 09]. Une topologie basée sur l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux à structure NPC (Fig. I.16) pour le contrôle des éoliennes à base de MADA a été discutée dans [Por 06], [Aba 08] et [Ghe 10]. L’avantage principal de celle-ci réside dans le fait que le convertisseur est directement relié au réseau de moyenne tension (avec des tensions comprises entre 1 et 5 kV) : ce qui permet de réduire énormément les courants traversant le convertisseur tout en augmentant la puissance transitée [Lis 11].

Contraintes de connexion des fermes éoliennes

   Aujourd’hui le taux de pénétration des fermes éoliennes devient de plus en plus significatif dans les réseaux. La puissance produite par ces fermes définit le réseau auquel elles vont être connectées. En effet, le raccordement de la ferme au réseau publique de transport s’effectue alors à un niveau de tension supérieur ou égal à 63 kV (domaine de la HTB), si la puissance produite de la ferme est supérieure à 12 MW. Dans le cas contraire, (la puissance produite de la ferme est inférieure ou égale à 12 MW) le raccordement s’effectue alors à un niveau de tension inférieur ou égal à 20 kV (domaine de la HTA et de la BT) [Fra 02], [Rob 04]. Pour les deux types de raccordement, plusieurs problèmes liés à l’instabilité de réseau mènent les fermes éoliennes à se comporter comme des générateurs passifs du point de vue électrique [Jen 00] à cause de:
x La difficulté de prévision de la production de puissance à cause de son profil aléatoire,
x L’absence de réglage des puissances active et réactive,
x L’absence de réglage (puissance active – fréquence),
x L’absence de réglage (puissance réactive – tension),
x La sensibilité élevée aux creux de tension et aux variations de fréquence pour certaines technologies,
x La sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent.
C’est pour cela que des réglementations techniques pour le raccordement des installations de production au réseau électrique, entres autres les fermes éoliennes, sont bien prescrites, dans des textes réglementaires tels que décrets et arrêtés. Le décret [Déc 03] et l’arrêté [Arr 03] présentent quelques réglementations générales pour le raccordement des installations au réseau électriques français [Rob 06]: En fonction de leur type, de leur puissance et de leur tension de raccordement, les installations de production doivent être conçues pour pouvoir contribuer, pour des durées limitées, au soutien du système électrique lorsqu’il est en régime exceptionnel ou en situation de défaut d’isolement. En fonction de leur type, de leur puissance et de leur tension de raccordement, les installations de production doivent avoir des capacités constructives de fourniture de services auxiliaires nécessaires pour que le fonctionnement du système électrique soit sûr. Ces services comprennent :
-Les réglages primaire et secondaire de la tension ;
-Les réglages primaire et secondaire de la fréquence ;
-Le fonctionnement en réseau séparé ;
-Le renvoi de tension et la participation à la reconstitution du réseau.
Les installations de production doivent être équipées d’un dispositif qui permet de les coupler au réseau publique de transport. Les installations doivent en outre être conçues pour que la stabilité de leur fonctionnement soit assurée compte tenu des caractéristiques de leur raccordement au réseau et doivent être équipées des régulations de tension et de fréquence (c’est-à-dire de la vitesse pour les groupes tournants) qui sont nécessaires pour atteindre cet objectif. Des pertes de stabilité ne doivent pas être à l’origine d’une dégradation de la qualité de l’électricité sur le réseau public de transport ou de la perturbation des conditions de son exploitation. Les installations de production doivent être capables de recevoir et d’exécuter, dans les délais appropriés précisés dans la convention d’exploitation, les ordres de conduite et de sauvegarde en provenance du gestionnaire du réseau de transport. L’arrêté [Arr 03] précise ces contraintes de raccordement en fonction du type d’installation. Sans prétendre être exhaustifs, Pour les installations de puissance supérieures à 10MW, chaque génératrice électrique doit pouvoir fournir à ses bornes une puissance réactive minimale égale à 0.6 de sa puissance nominale apparente et absorber une puissance réactive égale à 0.2 de la même puissance pour régler la tension au point de raccordement de ces systèmes éoliens.

Organisation de la commande du système éolien

  La commande hiérarchique est une représentation multi-niveaux permettant de structurer la conception de la commande. En effet, quatre niveaux de commande peuvent être distingués :
– L’Automate de Contrôle des Modes de Marche (ACMM) est l’unité supérieure assurant la supervision du système. Il représente dans notre travail la supervision centrale de la ferme éolienne [Han 06], [Beu 07], [Ghe 09] (elle sera présentée en détail dans le chapitre IV). Cet automate a pour tache de délivrer les références pour le niveau inférieur en décidant des modes de marche et le dialogue avec l’extérieur [Pen 10].
– L’Automate de Commande Eloignée (ACE) représente le niveau, où les taches algorithmiques pour le contrôle direct de puissance sont affectées. Cet automate, qui présente dans notre travail l’unité de supervision locale de l’éolienne (elle sera aussi détaillée dans le chapitre IV), a pour rôle de déterminer les références des grandeurs à asservir en valeur instantanée (le réglage du niveau inférieur) pour un mode de marche donné. Le contrôle de ces grandeurs est réalisé via un asservissement d’une grandeur mécanique (vitesse, position) ou électrique (tension, courant).
– L’Automate de Commande Rapprochée (ACR), qui représente le système de contrôle du système éolien, reçoit ses références de puissance de l’ACE. A ce niveau, des asservissements des grandeurs rapides à savoir les tensions ou les courants sont assurés à travers des signaux de commande envoyés aux interrupteurs des convertisseurs du système éolien. Ces signaux sont ainsi déterminés dans ce niveau par l’utilisation des stratégies de Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) ou par celles reposants sur l’hystérésis. Dans notre travail, cet automate est constitué principalement de trois blocs qui seront détaillés davantage dans cette section :
– Bloc de contrôle du convertisseur coté MADA,
– Bloc de contrôle du bus continu,
– Bloc de contrôle du convertisseur coté réseau.
Le Bloc de Contrôle des Commutations (BCC) qui repose généralement sur un circuit spécialisé appelé ‘driver’. Celui-ci est chargé de l’adaptation des signaux ainsi issus de l’ACR à la technologie des semi-conducteurs utilisée pour la conception des interrupteurs du convertisseur. Par ailleurs, il assure le réglage du temps mort, l’isolation galvanique et la protection rapprochée contre les surintensités et les surtensions…etc.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Etat de l’art sur la conversion éolienne
I.1. Introduction
I.2. L’aérogénérateur
I.3. Types d’aérogénérateurs
I.3.1. Aérogénérateurs à axe vertical
I.3.1.1. Aérogénérateurs à rotor de Darrieus
I.3.1.2. Aérogénérateurs à rotor de Savonius
I.3.2. Aérogénérateurs à axe horizontal
I.4. Principaux constituants d’une éolienne à axe horizontal
I.5. Technologie d’éoliennes de grande puissance
I.5.1. Principe de conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
I.5.2. Les éoliennes à vitesse fixe
I.5.3. Intérêt de la vitesse variable
I.5.4. Eoliennes à vitesse variable commandées par le stator
I.5.5. Eolienne à vitesse variable à base de la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA)
I.5.5.1. Structure de la MADA
I.5.5.2. Modes de fonctionnement de la MADA
I.5.5.3. Avantage des éoliennes à base de la MADA
I.6. Topologie des convertisseurs utilisés pour les éoliennes de grande puissance
I.6.1. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la MADA
I.6.2. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la machine asynchrone à cage ou à aimant permanent
I.6.3. Intérêt des convertisseurs multi-niveaux pour la conversion éolienne
I.6.4. Domaine de fonctionnement des convertisseurs utilisés pour la génération éolienne
I.6.4.1. Utilisation de n convertisseurs à deux niveaux
I.6.4.2. Utilisation d’un convertisseur à (n+1) niveaux
I.6.5. Tendance des futurs convertisseurs statiques
I.7. Fermes éoliennes
I.8. Contraintes de connexion des fermes éoliennes
I.9. Conclusion
I.10. Référence du chapitre I
Chapitre II. Modélisation et dispositif de commande d’un système éolien à base de machine asynchrone à double alimentation
II.1. Introduction
II.2. Modèle de la turbine
II.2.1. Modèle des pales
II.2.2. Modèle du multiplicateur de vitesse
II.2.3. Modèle de l’arbre mécanique
II.2.4. Résultat de simulation et d’expérimentation du modèle de la turbine
II.2.4.1. Résultats de simulation
II.2.4.2. Emulateur de la turbine éolienne
II.2.4.3. Résultats expérimentaux
II.3. Modèle de la MADA
II.3.1. Modèle général de la MADA
II.3.2. Modèle de la MADA avec orientation du flux satorique
II.4. Modèle du convertisseur d’électronique de puissance
II.5. Modèle du bus continu
II.6. Modèle du filtre coté réseau
II.7. Modèle du nœud de connexion
II.8. Dispositif de commande du système éolien
II.8.1. La REM du dispositif de commande du système éolien
II.8.2. Stratégie de commande MPPT
II.8.2.1. Calcul du couple de référence
II.8.2.2. Contrôle de la MADA
II.8.2.3. Résultats de simulation de la stratégie de commande MPPT
II.8.3. Stratégie de commande découplée des puissances active et réactive
II.8.3.1. Organisation de la commande du système éolien
II.8.3.2. Contrôle du convertisseur coté MADA
II.8.3.3. Contrôle du bus continu
II.8.3.4. Control du convertisseur coté réseau
II.8.3.5. Résultats de simulation
II.8.3.6. Résultats d’expérimentation
II.9. Conclusion
II.10. Références du chapitre II
Chapitre III. Application des convertisseurs multiniveaux pour la commande d’un système éolien
III.1. Introduction
III.2. Modèle du système éolien avec des convertisseurs NPC à trois niveaux
III.2.1. Modèle du convertisseur NPC à trois niveaux
III.2.1.1. Structure et principe de fonctionnement
III.2.1.2. Modèle instantané
III.2.1.3. Modèle moyen du convertisseur NPC
III.2.1.4. Modèle vectoriel dans un repère orthogonal
III.2.2. Modèle du bus continu
III.3. Dispositif de commande du système éolien
III.3.1. Organisation générale de la commande
III.3.2. Architecture de la commande du convertisseur
III.3.3. Commande vectorielle directe du courant basée sur l’Hystérésis à Zones Carrées (HZCA)
III.3.3.1. Principe de la commande
III.3.3.2. Détection de la zone
III.3.3.3. Détection du secteur
III.3.3.4. Sélection du vecteur de tension
III.3.3.5. Equilibrage du diviseur capacitif
III.3.3.6. Résultats de simulation de la commande du système éolien par l’HZCA
III.3.3.7. Origine des sauts de niveaux des tensions de sortie du convertisseur
III.3.4. Commande vectorielle directe du courant basée sur l’Hystérésis à Zones Circulaires (HZCI)
III.3.4.1. Principe de la commande
III.3.4.2. Détection de la zone
III.3.4.3. Détection du secteur
III.3.4.4. Sélection du vecteur de tension
III.3.4.5. Equilibrage des tensions du diviseur capacitif
III.3.4.6. Résultats de simulation
III.3.4.7. Résultats expérimentaux
III.4. Conclusion
III.5. Références du chapitre III
Chapitre IV. Supervision d’une ferme éolienne, approche technique pour la répartition de la production électrique
IV.1. Introduction
IV.2. Principales réglementations techniques pour la connexion d’une ferme éolienne au réseau électrique
IV.2.1. Contrôle absolu de la puissance active
IV.2.2. Allocation d’une puissance de réserve
IV.2.3. Contrôle du gradient de puissance
IV.2.4. Contrôle de l’équilibre en puissance
IV.2.5. Contrôle de la puissance pour la protection du système
IV.2.6. Contrôle de la fréquence
IV.2.7. Contrôle de la puissance réactive
IV.2.8. Contrôle de la tension à travers le contrôle de la puissance réactive
IV.2.9. Maintien de la production lors des défaillances du réseau
IV.3. Etat de l’art sur les algorithmes de supervision des puissances active et réactive dans une ferme éolienne
IV.3.1. Les algorithmes de supervision basés sur des régulateurs Proportionnel Intégral PI
IV.3.1.1. Algorithme pour le réglage du facteur de puissance de la ferme éolienne
IV.3.1.2. Algorithme pour le réglage des puissances active et réactive de la ferme éolienne
IV.3.2. Algorithmes basés sur des fonctions objectives
IV.3.3. Algorithme basé sur la distribution proportionnelle des références de puissance
IV.4. Supervision centralisée des puissances active et réactive de la ferme éolienne 
IV.4.1. Configuration du système étudié
IV.4.2. L’unité de supervision centrale de la ferme
IV.4.3. L’unité de supervision locale de l’éolienne
IV.5. Analyse des échanges de puissance et estimation de la puissance réactive maximale de la MADA
IV.5.1. Présentation
IV.5.2. Puissances active et réactive statoriques
IV.5.3. Puissances active et réactive rotoriques
IV.5.4. Puissances active et réactive totales
IV.5.5. Limitation de la puissance réactive par la contrainte du courant statorique
IV.5.6. Limitation de la puissance réactive par la contrainte du courant rotorique
IV.5.7. Limitation de la puissance réactive par la contrainte de la tension rotorique
IV.5.8. Limitation de la puissance réactive par la contrainte de la stabilité en régime permanent
IV.6. Résultats de simulation
IV.7. Résultats expérimentaux de la supervision centralisée des puissances active et réactive dans une ferme éolienne
IV.8. Algorithme de supervision locale de la puissance réactive
IV.8.1. Principe
IV.8.2. Résultats expérimentaux
IV.9. Conclusion
IV.10. Références du chapitre IV
Conclusion générale

Télécharger le rapport complet