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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE & POPULAIREMINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR & DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DU 20 AOÜT 1955 – SKIKDAFACULTE DE TECHNOLOGIE
DEPARTEMANT DE GENIE ELECTRIQUE
LABORATOIRE D’AUTOMATIQUE DE SKIKDA
MEMOIREPrésenté pour l'obtention du diplôme de Magister
SPECIALITE : Génie électrique
Option : Électrotechnique
PARMaghsel Saliha
THEME
CONTRIBUTION A LA MODELISATION ET LA
COMMANDE D’UNE TURBINE EOLIENNE
SOUTENU PUBLIQUEMENT LE :…………………………
DEVANT LE JURY COMPOSE DE :
Président : BOUKADOUME Ahcène Professeur Université de Skikda
Rapporteur : AHMIDA Zahir MCA Université de Skikda
Examinateurs : ARBAOUI Faiçal MCA Université d’Annaba
BOUZEKRI Hacène MCA Université de Skikda
Promotion : 2010-2012
ملخص
Résumé
Abstract
ملخص
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
المساھمة في محاكاة والتحكم في العنفة الھوائیة
ملخص
ھذه المذكرة تعرض دارسة لنظام تولید طاقة الریاح باستخدام مولد حثي مزدوج التغذیة مقتاد بواسطة عنفة ذات زاویة
.المحور األول یعرض مقدمة علي األنظمة الھوائیة. الشفرة المتغیرة
والرابع مخصصان لمحاكاة النظام ثأما المحور الثال. ة الھوائیة في المحور الثانيدراسة مفصلة للنظام الحركي للعنف
.ومحقق بنتائج المحاكاة, والتحكم في العنفة الھوائیةالھوائي
الكلمات المفتاحیة
محاكاة والتحكم في العنفة الھوائیة.المولد الكھربائي. العنفة الھوائیة. الطاقة الھوائیة
Résumé
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
28
Contribution à la Modélisation et la Commande D’une Turbine
EolienneRésumé
Le présent mémoire présente une étude d’un système éolien à base d’une machine
asynchrone à double alimentation entrainée par une turbine à calage variable des pales. Le
premier chapitre étude introduction aux systèmes éoliens.
Etude détaillée de système aérodynamique de la turbine éolienne dans le deuxième
chapitre, et Le troisième et le quatrième chapitre sont dédiés à la modélisation de système
éolien et commande de turbine éolienne, et elle est validée par des résultats de simulation.
Mots clés
L’énergie éolienne, Turbine éolienne, Génératrice électrique, Modélisation et la
Commande d’une turbine éolienne
Abstract
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Contribution to the Modelling and the Ordering of Wind Turbine
ABSTRACT
The present thesis presents a study of a wind system with a doubly fed induction
generator driven by a variable pitch wind turbine. The first chapter study wind system
introduction.
Study detailed wind system in the second chapter. The third and the fourth chapter are
dedicated to the modeling and the control of wind system and it is validated by the simulation
results.
KEYWORDSThe wind power, wind turbine, electric generator, the modelling and the ordering of the
wind turbine.
Remerciement
REMERCIEMENTS
Je tiens tout d’abord à remercier notre dieu qui
permettait à accomplir ce travail.
Puis remercié notre encadreur Dr AMIDA Zahir
Pour proposer ce sujet
Un remerciement très spécial pour Dr BOUZEKRI
Pour toute l'aide qu'il a fourni.
Je remercié toutes les personnes qui conseillé,
guidé, encouragé.
Dédicace
DEDICACE
Je dédie Ce Travail à:
A mes chers parents,Mes chers Frères et Soeurs.
A toute ma famille,A tous mes amis …
Saliha
Liste des figures
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Liste des figuresFigure Titres pages
Chapitre IFigure 1.1 Les régions ventées en Algérie 2Figure 1.2 Comparaison entre les vitesses moyennes de sites ventés 3
Figure 1.3 Puissance énergétique récupérable à 50 m Algérie. 3Figure 1.4 Comparaison des puissances récupérables des Sites Ventés 4
Chapitre IIFigure 2.0 Conversion de l'énergie cinétique du vent a l’énergie électrique 8Figure 2.1 Eolienne de Savonius 9Figure 2.2 Eolienne de Darrieus 10Figure 2.3 Principales composants de l’éolienne à axe horizontal 14Figure 2.4 Différentes parties d'une éolienne 14Figure 2.5 Séquence de vent mesuré sur un site et sa distribution. 17Figure 2.6 Synoptique de reconstruction du vent 18Figure 2.7 Séquence de vent synthétique 18Figure 2.8 Conditions du flux d’air et extraction de l’énergie mécanique 20Figure 2.9 Variation du coefficient de puissance en fonction du facteur ‘a’ 22Figure 2.10 Découpe d’une couronne d’épaisseur dr contenant un élément
infinitésimale de la pale de la turbine23
Figure 2.11 Modèle des forces aérodynamique sur l’élément de pale 24
Figure 2.12 Formes typiques des coefficients de lift et de drag 25Figure 2.13 Variations du coefficient de couple 27Figure 2.14 Variations du coefficient de puissance 27Figure 2.15 Variation de QC et pC pour un pitch fixe 27
Figure 2.16 Différentes Techniques de Commande Eolienne. 28Figure 2.17 Principe du décrochage aérodynamique actif. 29Figure 2.18 Variation de l'angle de calage d'une pale 30
Figure 2.19 Points de MPPT d’une éolienne tripale avec la vitesse de vent 31
Chapitre IIIFigure 3.1 Architecture globale d’une éolienne 33Figure 3.2 Différent partie de la turbine 34Figure 3.3 Caractéristique du coefficient de puissance en fonction de la vitesse
relative 36
Figure 3.4 Caractéristique de puissance mécanique en fonction de la vitesserelative
36
Figure 3.5 Modèle d’une turbine éolienne 38Figure 3.6 La vitesse sur l’arbre du générateur 38Figure 3.7 La vitesse de la turbine 39Figure 3.8 La vitesse sur l’arbre du générateur 40Figure 3.9 La vitesse de la turbine 40
Figure 3.10 Machine asynchrone modélisée - définition des repères stator etrotor
41
Liste des figures
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Figure 3.11 Les repères (d,q ) lié au stator 46Figure 3.12 Les repères (d,q ) lié au rotor 47Figure 3.13 Les repères (d,q ) lié au champ tournant 48Figure 3.14 Bloc de simulation de la machine asynchrone 50Figure 3.15 Les courants statoriques et rotoriques 50Figure 3.16 Le couple électromagnétique 51Figure 3.17 La vitesse du générateur 51Figure 3.18 Schéma de principe de Redresseur 51Figure 3.19 Redresseur à diode 52Figure 3.20 Les tensions de source, Tension de charge et Courant de charge 52Figure 3.21 Schéma de principe de l’onduleur 53Figure 3.22 Onduleur de tension triphasé 53Figure 3.23 La tension d’une phase et Courant d’une phase 56
Chapitre IVFigure 4. 1 Système à vitesse fixe 58Figure 4. 2 Système à vitesse variable par dissipation de la puissance rotorique 59Figure 4. 3 Système à vitesse variable par double alimentation 60Figure 4. 4 Variation de la vitesse de 0 à 100% de la vitesse nominale 62Figure 4. 5 Chaine éolienne on Simulink 63Figure 4. 6 Les tensions redressent 63
Figure 4. 7 Les tensions d’onduleur 64Figure 4. 8 Les courants de transformateur et de charge 64Figure 4. 9 Caractéristique idéale de puissance d'une éolienne à vitesse variable 66Figure 4. 10 Contrôle MPPT sans asservissement de la vitesse de rotation 68Figure 4. 11 Contrôle MPPT avec asservissement de la vitesse de rotation 69Figure 4. 12 Coefficient de puissance Cp en fonction de pour 00 70Figure 4. 13 Commande indirect de la vitesse (zone II) 72Figure 4. 14 Commande direct de la vitesse (zone II) 73Figure 4. 15 Schémas bloc de la commande de l’angle de calage des pales 74Figure 4. 16 La vitesse sur l’arbre du générateur 74Figure 4. 17 La vitesse de la turbine 75Figure 4. 18 La vitesse sur l’arbre du générateur 76Figure 4. 19 La vitesse de la turbine 76Figure 4. 20 La vitesse sur l’arbre du générateur 77Figure 4. 21 La vitesse de la turbine 77Figure 4. 22 Variation de l’angle de calage 77
Liste de tableaux
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Liste de tableauxTableau Titres pages
Chapitre ITableau1.1 Comparaison des émissions des centrales à charbon et à gaz avec les
centrales éoliennes5
Chapitre IITableau2.1 Avantages et inconvénients des éoliennes à axe vertical 10Tableau2.2 Classification des turbines éoliennes 11Tableau2.3 Avantages et Inconvénient des Eoliennes à axe horizontal 12
Chapitre IVTableau4.1 Avantages et Inconvénients de système à vitesse fixe 59Tableau4.2 Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable par dissipation
de la puissance rotorique.60
Tableau4.3 Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable doublealimentation stator - rotor
61
Tableau4.4 Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable par pilotagedu stator
62
Table des matières
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Introduction aux Systèmes Eoliens
I.1 Introduction 1
I.2 Historique 1
I.3 L’énergie Eoliennes en Algérie 2
I.3.1 Répartition régionale de la vitesse du vent 2
I.3.2 L’Atlas de la puissance en Algérie 3
I.4 Aspects Economiques de l’Eolienne 4
I.5 Impacts Environnementaux des éoliennes 5
I.6 Conclusion 7
Chapitre II : Etude aérodynamique de la turbine éolienne
II.1 Introduction 8
II.2 Généralités sur les différents types d’éoliennes 8
II.2.1 Eoliennes à axe vertical 8
II.2.2 Eoliennes à axe horizontal 10
II.2.2.1 Eoliennes lentes 11
II.2.2.2 Eoliennes rapides 11
II.3 Description structurelle d’un aérogénérateur 13
II.4 Caractéristiques et modélisation du vent 15
II.4.1 Le vent 15
II.4.2 Caractéristiques du vent 16
II.4.3 Modélisation du vent 17
II.5 Modèle aérodynamique de la turbine éolienne à axe horizontal 19
II.5.1 Energie du vent 19
II.5.2. La Théorie de Betz et le Coefficient de Puissance 20
II.5.3 Modèle de la Turbine 22
II.6 Techniques de commande d’une turbine éolienne 28
II.6.1 Commande par décrochage aérodynamique passif 28
Table des matières
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
II.6.2 Commande par décrochage aérodynamique actif 29
II.6.3. Commande par angle de calage variable des pales 30
II.6.4. Poursuite du point de Maximum de Puissance (Maximal PowerPoint Tracking, MPPT)
31
II.7 Conclusion 32
Chapitre III : Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
III.1 Introduction 33
III.2 Modélisation de turbine 33
III.2.1 Modèle de Turbine 34
III.2.2 Modèle du Multiplicateur 37
III.2.3 Modèle de l’arbre 37
III.2.4 Simulation 38
III.3 Modélisation de la Machine Asynchrone à Double Alimentation 41
III.3.1 Mise en équations du modèle de la MADA 41
III.3.1.1 Equations électriques 42
III.3.1.2 Équations magnétiques 43
III.3.1.3 Equation mécanique 44
III.3.2 Modèle de Park 44
III.3.2.1 Choix du référentiel 45
III.3.3 Expression de la puissance et du couple électromagnétique 48
III.3.3.1 Couple électromagnétique 49
III.3.4 Bloc de simulation de la machine asynchrone 49
III.3.5 Simulation 50
III.4 Modélisation du convertisseur 51
III.4.1 Redresseur trois phase 51
III.4.1.1 Schéma symbolique de Redresseur 51
III.4.1.2 Schéma bloc de redresseur 52
III.4.1.3 Simulation 52
III.4.2 Onduleur trois phase 52
III.4.2.1 Schéma symbolique de l’onduleur 53
III.4.2.2 Structure de l’onduleur de tension 53
III.4.2.3 Modèle de commande de l’onduleur de tension 54
Table des matières
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
III.4.2.4 Simulation 56
III.5 Conclusion 57
Chapitre IV : Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
IV.1 Introduction 58
IV.2 Les différentes structures des Systèmes éoliennes 58
IV.2.1 Les différentes structures des Systèmes à vitesse fixe 58
IV.2.2 Les différentes structures des Systèmes à vitesse variable 59
IV.2.2.1 Vitesse variable par dissipation de la puissance rotorique 59
IV.2.2.2 Vitesse variable par double alimentation stator - rotor 60
IV.2.2.3 Vitesse variable par pilotage du stator 61
IV.2.3 Schéma bloc d’une chaine éolienne 63
IV.2.4 Simulation 63
IV.3 Commande d’une turbine éolienne 65
IV.3.1 Objectifs de la commande 65
IV.3.2 Caractéristique de puissance 65
IV.3.3 Commande d’une turbine 67
IV.3.3.1 Commande dans la zone I 67
IV.3.3.2 Commande dans la zone II 70
IV.3.3.3 Commande dans la zone III 73
IV.3.4 Simulation 74
IV.4 Conclusion 78
Conclusion générale
Introduction générale
Introduction générale
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Introduction généraleLes énergies renouvelables (eau, vent, soleil) sont aujourd’hui de plus en plus utilisées
dans la production de l’électricité. Ces énergies propres et gratuites représentent une bonne
alternative aux ressources fossiles. Parmi les sources renouvelables dénombrées, on compte
l’énergie éolienne qui connaît, depuis quelques décennies, un formidable développement.
Une éolienne a pour rôle de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie électrique.
Ses différents éléments sont conçus pour maximiser cette conversion énergétique et, d’une
manière générale. Il y a Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l’énergie du vent
(à axe vertical ou axe horizontal). Et aussi différents configurations d’un système éolienne (à
vitesse fixe et a vitesse variable).
Les éoliennes de dernière génération fonctionnent à vitesse variable. Ce type de
fonctionnement permet d’augmenter le rendement énergétique, de baisser les charges
mécaniques et d’améliorer la qualité de l’énergie électrique produite, par rapport aux
éoliennes à vitesse fixe. Ce sont les algorithmes de commande qui permettent de contrôler la
vitesse de rotation des éoliennes à chaque instant.
Une éolienne doit comporter :
Un système qui permet de la contrôler mécaniquement (orientation des pales d’une
éolienne, multiplicateur de vitesse, ….).
un système qui permet de la contrôler électriquement (générateur électrique piloté par
une électronique de commande et de puissance,…..).
Le but de ce mémoire est d’apporter une contribution à la modélisation et la
commande des turbines éoliennes; pour ce faire notre choix s’est porté sur une éolienne à
vitesse variable basée sur une génératrice asynchrone double alimentation (GADA).
Ce mémoire est structuré comme suit :
Le premier chapitre présent introduction aux systèmes éoliens par exemple
« Historique d’une éolienne, l’énergie éoliennes en Algérie, aspects économiques de
l’éolienne et impacts environnementaux des éoliennes »
Le deuxième chapitre on présentera l’étude aérodynamique de la turbine éolienne
dans ce chapitre On étude les différents types d’éoliennes, description structurelle
d’un aérogénérateur, Caractéristiques et modélisation du vent, Modèle
Introduction générale
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
aérodynamique de la turbine éolienne à axe horizontal et finale le chapitre par
techniques de commande d’une turbine éolienne
Le troisième chapitre on présentera la Modélisation des éléments d’une chaine
éolienne dans ce chapitre la modélisation de La turbine se compose de 3 pales
orientables; le multiplicateur adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du
générateur électrique et l’arbre et relie la partie mécanique avec le partie électrique
ou bien relie la turbine avec le générateur .Générateur Double Alimentation
.Convertisseur se compose Redresseur, Onduleur. Et simule avec le
Matlab/Simulink.
Le dernier chapitre, Simulation du fonctionnement et de commande d’une turbine
éolienne dans ce chapitre il y a deux parties la première partie on étude les différents
structures d’un système éolienne. et la commande de turbine c’est la deuxième partie.
CHAPITRE I :
Introduction aux Systèmes
Eoliens
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
1
I.1. Introduction :Une éolienne est une machine utilisant la force motrice du vent. Cette force peut être
utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de
l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur). On parle de parc éolien ou de ferme éolienne
pour décrire des unités groupées pour la production de l’énergie électrique. Ces unités
peuvent être installées en terre ou mer.
I.2. Historique :
Depuis l'Antiquité, des moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie
mécanique (généralement utilisée pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre
le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier... ou relever de l'eau). De nos jours, on
trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour
assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail.
Historiquement, on note que c’est en 1888 qu’un certain Charles F. Brush construit une
grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie
d'accumulateurs.
La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le
Danois Poul Lacour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années
suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend soixante-douze exemplaires en 1908.
En France, une éolienne expérimentale de 800 kVA était mise en fonctionnement de
1955 à 1963, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études
scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF.
Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-
Rémy-des-Landes (Manche). En Algérie, une éolienne fut montée sur les hauteurs d’Alger
(Dély Ibrahim) en 1957.
Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les
années 1970 et le premier choc pétrolier pour que le Danemark relance les activités dans les
installations d'éoliennes. [1][2]
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
2
I.3. L’énergie Eoliennes en Algérie
Les premiers travaux Algériens sur le potentiel éolien ont été publiés en 1984, suivis
en 1985, en 1990, en 1994 et 2002. [3]
I.3.1.Répartition régionale de la vitesse du ventPour installer une éolienne il faut choisir un site où la vitesse du vent fournirait l’énergie
nécessaire; nous devons donc faire des mesures de la vitesse du vent dans plusieurs sites. La
Figure 1.1 montre un exemple des régions ventées en Algérie d’après les données
satellitaires du Laboratoire d’ Energie Eolienne du Centre de Recherche en Energies
Renouvelables (CDER, Algérie).
Figure 1.1: Les régions ventées en Algérie
D’après les données du CDER, la figure 1.2 indique les vitesses des vents pour différents
sites situés en Algérie.
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
3
Figure 1.2 : Comparaison entre les vitesses moyennes de sites ventés
I.3.2 L’Atlas de la puissance en AlgérieLa figure ci-dessous (Figure 1.3) représente l’atlas de la puissance énergétique
récupérable à 50 m d’altitude en Algérie. [4]
Figure 1.3 : Puissance énergétique récupérable à 50 m Algérie.
La figure suivante représente une comparaison entres les sites ventés en Algérie
.
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
4
Figure 1.4 : Comparaison des puissances récupérables des Sites Ventés
I.4. Aspects Economiques de l’Eolienne :Vu les effets négatifs des carburants conventionnels sur l'environnement et leur
disponibilité limitée ainsi que les questions de sûreté se sont associées à l'utilisation de
l'énergie nucléaire, Les énergies renouvelables ne doivent pas être regardées d'un point de
vue économique seulement. Cependant, ceci ne signifie nullement l'utilisation des sources
d'énergies renouvelables "à tout prix".
En effet, les prix de exorbitants de l’énergie ne sont pas acceptables pour l'industrie ou
à l'économie en général. La profitabilité pour l’entreprise industrielle et pour l’économie
nationale sont des aspects déterminants dans l’adoption d’une stratégie énergétique.
Concernant l’énergie éolienne, deux aspects sont à prendre en considération. D’une
part, il y’ a l’application directe (individuelle) de l’énergie éolienne par le consommateur où
le prix à la consommation reviens moins chère en comparaison aux autres formes de
génération de l’énergie électrique fournies par les distributeurs traditionnels de la puissance.
Ceci est d’autant plus vrai si l’emplacement est approprié pour justifier l’investissement dans
l’installation du système éolien. D’autre part, il y’a la génération et la distribution de
l’énergie électrique par les grandes compagnies (SONELGAZ par exemple). Dans ce cas,
beaucoup de paramètres et de contraintes économiques influencent les coûts de production
de l’électricité. Ce sont ces contraintes économiques ‘dures’ qui ne permettent pas encore
une utilisation profitable de l’énergie éolienne à grande échelle.
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
5
Cependant, le potentiel de développement des turbines à vent indique que les chances
pour la production d'électricité à partir des ressources éolienne pour devenir concurrentielles
avec les centrales conventionnelles sont tout à fait bonnes.
I.5. Impacts Environnementaux des éoliennesCe paragraphe passera en revue les aspects environnementaux liés au déploiement
d'une simple turbine à vent ou d'une ferme éolienne. En effet, le développement de l'énergie
éolienne a des incidences tant positives que négatives sur l'environnement.
Du côté positif, l'énergie éolienne est généralement considérée comme amicale à
l’environnement, particulièrement quand les effets sur l'environnement des émissions à
grandes échelles des centrales électriques conventionnelles à grande échelle sont considérés.
Par exemple, des évaluations des émissions (des oxydes de soufre et d'azote, des substances
particulaires, et anhydride carbonique) des centrales à charbon et des centrales à gaz par
rapport à ceux des systèmes éoliens (zéro dans tous les cas) sont montrées dans le tableau 1.1
ci-dessous. [6]
Polluant Charbon conventionnel
Kg/MWh
Gaz conventionnel
Kg/MWh
Vent
Oxydes de soufre 1.2 0.004 0
Oxydes d’azote 2.3 0.002 0
Particules 0.8 0.0 0
Anhydride carbonique 865 650 0
Tableau 1.1 : Comparaison des émissions des centrales à charbon et à gaz avec les
centrales éoliennes
Les émissions produits par les systèmes éoliens sont essentiellement zéro, bien qu'il y
ait des émissions indirectes liées à la production réelle des turbines à vent et à la construction
des systèmes éoliens en générale. Des évaluations des émissions indirectes des systèmes
éoliens (en Allemagne) sont présentées dans l'exposé synoptique d'Ackerman et de Soder
[6], où les valeurs d'émissions s'avèrent généralement petites (un ou deux ordres de grandeur
moins que ceux des centrales conventionnelles).
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
6
Sachant qu’il est difficile de mesurer le coût global à la société des divers polluants
émis par les centrales conventionnelles, les avantages environnementaux de la puissance
éolienne sont, généralement, calculés par les émissions évitées.
Les impacts négatifs potentiels de l'énergie éolienne peuvent être classés dans l’une des
catégories suivantes :
Impact visuel des turbines éoliennes
Bruit des turbines éoliennes (non-négligeable)
Effets d'interférences électromagnétiques des turbines
Impacts d'utilisation du territoire pour l’implantation des systèmes éoliens
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
7
I.6 ConclusionOn étude dans ce chapitre introduction aux systèmes éoliens par exemple le historique
d’une éolienne, L’énergie Eoliennes en Algérie dans ce titre on a étude la Répartition
régionale de la vitesse du vent et la différant l’atlas de la puissance en Algérie, aspects
économiques de l’éolienne .et impact environnement des éoliennes.
CHAPITRE II :
Etude aérodynamique de laturbine éolienne
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
8
II.1. Introduction
Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique
disponible sur un arbre de transmission puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une
génératrice.
Et la figure ci-dessous montre la conversion de l’énergie cinétique du vent à l’énergie
électrique.
Figure 2.0 : Conversion de l'énergie cinétique du vent à l’énergie électrique
II.2. Généralités sur les différents types d’éoliennes
Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : les éoliennes à axe vertical qui tendent à
disparaître et les éoliennes à axe horizontal qui, elles-mêmes, se divisent en deux types sont :
les éoliennes lentes à axe horizontal utilisées surtout pour le pompage.
les éoliennes rapides à axe horizontal utilisées dans la production de l’énergie
électrique.
II.2.1. Eoliennes à axe verticalLes éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire
de l’électricité, paradoxalement, en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe
horizontal. Elles possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au
niveau du sol; donc facilement accessibles. De nombreuses variantes ont été testées depuis
les années vingt, dont beaucoup sans succès, mais deux structures sont parvenues au stade de
l’industrialisation :
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
9
Le rotor de Savonius dont le fonctionnement est basé sur le principe de "traînée
différentielle" utilisé dans les anémomètres : les efforts exercés par le vent sur
chacune des faces d'un corps creux sont d'intensité différente, il en résulte alors un
couple moteur entraînant la rotation de l'ensemble. L'effet est renforcé par la
circulation d'air entre deux demi-cylindres qui augmente le couple moteur (Figure
2.1).
Figure 2.1: Eolienne de Savonius
Les éoliennes à variation cyclique d'incidence dont la structure la plus répandue est
celle de Darrieus. Leur fonctionnement est basé sur le fait qu'un profil placé dans un
écoulement d'air selon différents angles (Figure 2-2) est soumis à des forces de
direction et d'intensité variables. La résultante de ces forces génère alors un couple
moteur entraînant la rotation du dispositif. Ces forces sont créées par la combinaison
de la vitesse propre de déplacement du profil et de la vitesse du vent. Cela signifie
que la rotation du dispositif ne peut pas s'amorcer d'elle-même. Lorsqu'elle est à
l'arrêt, l'éolienne doit donc être lancée par un dispositif annexe (montage d'une
éolienne Savonius sur le même rotor ou utilisation de la génératrice en moteur).
Même si quelques grands projets industriels ont été réalisés, les éoliennes à axe
vertical restent toutefois marginales et peu utilisées voire actuellement abandonnées. En effet
la présence du capteur d'énergie près du sol l'expose aux turbulences et au gradient de vent
ce qui réduit son efficacité. Elles sont de plus exposées à des problèmes d'aéroélasticité dus
aux fortes contraintes qu'elles subissent. Enfin la surface qu'elles occupent au sol est très
importante pour les puissances élevées.
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
10
Figure 2.2: Eolienne de Darrieus
Eoliennes à axe verticalAvantages Inconvénient
La conception verticale offre l’avantage de
mettre le multiplicateur, la génératrice et les
appareils de commande directement au sol.
Elles sont moins performantes que celles à
axe horizontal.
Son axe vertical possède une symétrie de
révolution ce qui lui permet de fonctionner
qu’elle que soit la direction du vent sans
avoir à orienter le rotor
La conception verticale de ce type
d’éolienne impose qu’elle fonctionne avec
un vent proche du sol, donc moins fort car
freiné par le relief..
Sa conception est simple, robuste et
nécessite peu d’entretien.
Leur implantation au sol exige l’utilisation
des tirants qui doivent passer au-dessus des
pales, donc occupe une surface plus
importante que l’éolienne à tour.
Tableau 2.1: Avantages et inconvénients des éoliennes à axe vertical
II.2.2. Eoliennes à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à
vent. Elles sont constituées de pales profilées de façon aérodynamique à la manière des ailes
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
11
d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour
générer un couple moteur entraînant la rotation.
II.2.2.1 Eoliennes lentes
Les éoliennes à marche lente sont munies d’un grand nombre de pales (entre 20 et 40),
leur inertie importante impose en général une limitation du diamètre à environ 8 m. Leur
coefficient de puissance atteint rapidement sa valeur maximale lors de la montée en vitesse
mais décroît également rapidement par la suite. Ces éoliennes multi pales sont surtout
adaptées aux vents de faible vitesse. Elles démarrent à vide pour des vents de l’ordre de 2 à 3
m/s et leurs couples de démarrage sont relativement forts. Cependant elles sont moins
efficaces que les éoliennes rapides et sont surtout utilisées pour le pompage d’eau.
La puissance maximale susceptible d’être obtenue par ce type de machine peut se calculer,
en fonction du diamètre D et de la vitesse du vent V, par l’expression suivante :3215.0 VDP (2.1)
La puissance étant exprimée en Watts, le diamètre en mètre et la vitesse du vent en m/s.
II.2.2.2. Eoliennes rapides
Les éoliennes rapides ont un nombre de pales assez réduit, qui varie en général entre 2
et 4 pales. Elles sont les plus utilisées dans la production d’électricité en raison de leur
efficacité, de leur poids (moins lourdes comparées à une éolienne lente de même puissance)
et de leur rendement élevé. Elles présentent, par contre, l’inconvénient de démarrer
difficilement. Leurs vitesses de rotation sont beaucoup plus élevées que pour les machines
précédentes et sont d’autant plus grandes que le nombre de pales est faible.
Le tableau 2.2 propose une classification de ces turbines selon la puissance qu’elles
délivrent et le diamètre de leur hélice. [7] [8]
Tableau 2.2: Classification des turbines éoliennes
Echelle Diamètre de l’hélice Puissance délivéePetite Moins de12 m Moins de 40 kW
Moyenne 12 à 45 m 40 kW à 1 MW
Grande 46 m et plus 1MW
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
12
En effet, les éoliennes ont différentes dimensions, et puisque l’air est une ressource
diffuse, la tendance générale favorise les appareils de plus en plus gros. Les progrès en
science des matériaux ont permis la fabrication de pales plus légères et plus solides ainsi que
l’amélioration de la conception des tours et des fondations, ce qui permet la construction
d’appareils de plus en plus imposants. En 1995, les éoliennes de 500 kW étaient la dernière
nouveauté. Aujourd’hui, des appareils individuels de 4,5 MW (4 500 kW) sont en production
commerciale.
Dans ce qui suit, notre étude se portera spécialement sur les éoliennes rapides dont nous
essayerons de donner une description globale du modèle. La formule pratique pour la
puissance d’une éolienne rapide à axe horizontal, tenant compte d'un rendement moyen, est
donnée par:322.0 VDP (2.2)
Le tableau ci-dessous résume les avantages et les inconvénients des éoliennes à axe vertical :
Eoliennes à axe horizontalAvantages Inconvénient
Une très faible emprise au sol par rapport
aux éoliennes à axe vertical.
Coût de construction très élevé
Cette structure capte le vent en hauteur,
donc plus fort et plus régulier qu’au
voisinage du sol.
L’appareillage se trouve au sommet de la
tour ce qui gêne l’intervention en cas
d’incident.
Le générateur et les appareils de commande
sont dans la nacelle au sommet de la tour.
Ainsi, il n’est pas nécessaire de rajouter un
local pour l’appareillage
Tableau 2.3: Avantages et Inconvénient des Eoliennes à axe horizontal
Malgré ses inconvénients, cette structure est la plus utilisée de nos jours. Cependant,
les structures à axe vertical son encore utilisé pour la production d’électricité dans les zones
isolés. Elles sont de faible puissance et sont, généralement, destinées à des utilisations
permanentes comme la charge des batteries par exemple.
Dans le reste de notre étude nous nous intéressons à la structure la plus répandue et la
plus efficace à savoir celle à axe horizontal et à trois pales à pas variable (variable pitch).
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
13
II.3. Description structurelle d’un aérogénérateur
Une éolienne est constituée principalement de trois parties : les pales (entre 1 et 3),
la nacelle et la tour. Chacune de ces parties doit être minutieusement étudiée et
modélisée de façon à obtenir un meilleur rendement et une bonne fiabilité du système
ainsi qu’un faible coût d’investissement.
La tour : est généralement un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique,
elle 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 une tour (mât) de
taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur.
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 ainsi que le générateur (généralement une machine asynchrone) et
les systèmes hydrauliques ou électriques d'orientation des pales. 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.
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. 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
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
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14
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).
Une armoire de commande : comportant touts les convertisseurs d’électronique de
puissance (onduleur, redresseur), ainsi que les systèmes de régulation de puissance,
de courant et de tension et d’orientation des pales et de la nacelle.
Un multiplicateur de vitesse : l’objective augmente ou diminuant la vitesse.
Figure 2.3 : Principales composants de l’éolienne à axe horizontal.
Figure 2.4 : Différentes parties d'une éolienne
1 : Pales
2 : Moyeu de turbine en fonte
3 : Structure de la turbine en fonte ductile ou en
acier soudé galvanisé à chaud
4 : Paliers du rotor à double rangée de billes
5 : Arbre lent du rotor en acier haute résistance
6 : Multiplicateur de vitesse
7 : Frein à disque
8 : Accouplement avec la génératrice
9 : Génératrice asynchrone
10 : Radiateur de refroidissement
11 : Système de mesure du vent (anémomètre et
girouette)
12 : Système de contrôle
13 : Système hydraulique
14 : Entraînement d’orientation de la tourelle
15 : Paliers du système d’orientation
16 : Capot de la nacelle
17 : Tour en acier tubulaire
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
15
II.4 Caractéristiques et modélisation du vent
II.4.1 Le ventL'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance
fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont
d'abord choisis en fonction de la vitesse et de la fréquence des vents présents. Un site avec
des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus productif qu'un autre site
avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les
vents sont réguliers et fréquents.
Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la
direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les
éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre
10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la
destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pales en drapeau) pour en
limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces
deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de
l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent.
Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable
d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal
(alizés par exemple).
Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop
turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en
observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment
courbés par les vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des
vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station
météorologique proche.
Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à
une installation éolienne :
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
16
L'effet Venturi : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux
montagnes ou deux grands bâtiments, il est accéléré par effet venturi. De même,
lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré au niveau du sommet. Ces lieux sont
donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface
restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est
irrégulière.
La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au
vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont
moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également
des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.
II.4.2 Caractéristiques du vent
L’exploitation efficace de l’énergie du vent est une tâche difficile. Comme pour toutes
les sources d’énergie, la problématique du rendement d’exploitation est toujours mise en jeu,
même si cette question s’avère spécifique dans le cas des énergies renouvelables dont le
gisement est « gratuit » et durable contrairement aux sources d’énergie fossile.
Le vent est causé par le déplacement de la masse d’air qui est dû indirectement à
l’ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le
refroidissement d’autres parties, une différence de pression est créée et les masses d’air sont
en perpétuel déplacement. C’est pourquoi, le vent est une grandeur stochastique,
intermittente qui dépend d’un ensemble de facteurs tels que la situation géographique,
l’altitude, la température et la hauteur de captage.
Les caractéristiques du vent déterminent non seulement la quantité d’énergie qui
s’applique à la turbine mais également les contraintes de fonctionnement (turbulences,
valeurs extrémales,…) qui jouent aussi sur la durée de vie. En réalité, le vent est mesuré par
un anémomètre complété par une girouette qui génère les grandeurs fondamentales que sont
la vitesse et la direction. On utilise très souvent des distributions statistiques, telle que la
distribution de WeiBull, générées à partir de campagnes de mesures à long terme qui
permettent d’offrir une vision cohérente de l’efficacité du gisement pour les études sur les
aérogénérateurs. Une caractéristique importante de la ressource de vent est sa variabilité ou
intermittence. Le vent est en effet fortement variable, tant géographiquement que
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
17
temporellement. En outre, cette variabilité est amplifiée par la relation cubique qui existe
entre vent et puissance générée par la turbine éolienne. La représentation dynamique du
gisement est ainsi une problématique à part entière. Pour cela, à partir des distributions
statistiques corrélées à une modélisation stochastique de la turbulence, il est possible de
générer une séquence temporelle de la vitesse du vent, par exemple par inversion de la
distribution. Dans la figure 2.5, nous présentons l’exemple d’une séquence de vent réelle,
extraite par une méthode de classification de la vitesse du vent. [35] Cette extraction est
basée sur des donnés mesurées durant plusieurs mois sur le site en Guadeloupe.
Figure 2.5: Séquence de vent mesuré sur un site et sa distribution.
II.4.3 Modélisation du vent
Le vent est l’énergie primaire des aérogénérateurs. L’énergie cinétique contenue dans
le vent est transformée en partie en énergie mécanique par la turbine, puis en énergie
électrique par le générateur. C’est donc une variable importante à modéliser car la précision
des simulations dépendra de la qualité de son modèle.
L’un des principes retenus consiste à générer une série temporelle de la vitesse du vent à
partir d’un bruit en entrée. Pour ce faire, la vitesse du vent va être décomposée en deux
composantes :
Une composante turbulente du vent tVT qui est un processus aléatoire stationnaire (nevarie pas avec la vitesse moyenne du vent).
Une composante lente 0V ; c'est la moyenne de la vitesse du vent variant régulièrement surde plus longues périodes dans un site donné.
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
18
tVVtV T 0 (2.3)
L’aéro-turbine filtre les fluctuations hautes fréquences. On reconstitue à cet effet un
filtre passe bas à la composante de turbulence afin que celle-ci reproduise une caractéristique
plus proche de la réalité dont la fonction de transfert est donnée par:
sG f .1
1
(2.4)
La valeur de la constante de temps dépend du diamètre du rotor et également de
l'intensité de turbulence du vent et de la vitesse du vent moyenne ( s2 ).
Figure 2.6: Synoptique de reconstruction du vent
La figure suivante représente une séquence de vent générée par le modèle Simulink de la
figure 2.6 avec une vitesse moyenne de 10m/s.
0 20 40 60 80 100 1209.4
9.6
9.8
10
10.2
10.4
Temp
vies
se d
e ve
ntm
/s
Figure 2.7: Séquence de vent synthétique
vent
Vmoy
VmoyTo Workspace1
t
Gf
1
2s+1
Clock
Band -LimitedWhite Noise
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
19
II.5. Modèle aérodynamique de la turbine éolienne à axehorizontal
La turbine est l’élément principal dans un système de conversion de l’énergie éolienne
où, l’énergie cinétique contenue dans une masse d’air en mouvement est transformée en
énergie mécanique. Cette extraction de l’énergie mécanique à partir d’un flux d’air
traversant un ‘disque’ obéis à des lois fondamentales de la physique.
C’est au savant Albert Betz que revient le mérite d’avoir démontré par des publications
(entre 1922 et 1925) que la quantité d’énergie pouvant être extraite d’un flux d’air en
mouvement, passant à travers une section d’un tube est restreinte à une certaine proportion
de l’énergie cinétique portée par le flux d’air. Betz démontra, aussi, que la puissance
optimale extraite dépend du rapport entre les vitesses d’écoulement de l’air en amont et en
aval de la section balayée par le convertisseur de l’énergie ou, autrement dit, de la turbine
[5].
II.5.1. Energie du ventL’énergie cinétique d’une masse d’air en mouvement avec une vitesse s’exprime par :
2
21 vmE (2.5)
En considérant un tube avec une surface de section A que traverse un flux d’air à la vitesse
v , alors le volume d’air traversant cette section en une unité de temps est donné par (le débit
d’air):
.
2.
/ smAvV (2.6)
Le débit massique s’écrit :
skgAvm /. (2.7)
Où représente la densité de l’air.
On déduit que, la puissance portée par le vent traversant un tube de section A à une vitesse
v est obtenue à partir des équations (2.5) et (2.7) :
wvAvdtdm
dttdEtP 32
21
21
(2.8)
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
20
II.5.2. La Théorie de Betz et le Coefficient de PuissanceDans ce qui suit, on développe la théorie qui décrit le processus d’extraction de
l’énergie mécanique à partir d’un flux d’air ainsi que la limite théorique supérieure de
l’efficacité du processus d’extraction de l’énergie mécanique. Il est évident que l’énergie
mécanique est extraite au dépend de l’énergie cinétique portée par le flux d’air ou par le
vent.
Si on admet l’hypothèse d’un flux massique constant des deux côtés du convertisseur
d’énergie (disque), cela signifie que la vitesse du flux d’air en aval 2v est inférieure à la
vitesse 1v en amont à cause de la transformation d’une partie de l’énergie cinétique
disponible en énergie mécanique (diminution de l’énergie cinétique). Ceci implique, aussi,
un élargissement de la section du tube en aval pour pouvoir conserver la constance du flux
massique (Figure 2.8).
Figure 2.8 : Conditions du flux d’air et extraction de l’énergie mécanique
La puissance mécanique capturée par le convertisseur s’exprime par la différence des
puissances portées par les flux d’air en amont et en aval du disque ;
32
32
311
322
311 2
121
21 vAvAvAvAPD (2.9)
Aussi, la conservation du flux massique tout le long du tube exige que :
skgvAAvvA /11'
11 (2.10)
d’où ;
22
21
.22
2111 2
121 vvmvvvAPD (2.11)
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
21
A partir de l’équation (2.11), la puissance mécanique extraite par le convertisseur serait
maximale si 2v est strictement nulle, autrement dit, un débit d’air nul en aval. Cette situation
est pratiquement impossible à réaliser physiquement. Ainsi, pour calculer le maximum de
puissance convertible, on utilise la loi physique de la conservation de la quantité du
mouvement pour exprimer la force exercée par le convertisseur sur le flux d’air incident :
NvvmFD 21
. (2.12)
En admettant que la vitesse 'v du flux d’air au niveau du disque est donnée par :
smvav /1 1' (2.13)
Où est le facteur d’interférence axial 10 a .
On peut, alors, réécrire l’équation (2.12) :
2111 vvAvaFD (2.14)
et la puissance capturée par le convertisseur est donnée par ;
2121
.'
21
.'
21 vvvvmvvvmvFP DD (2.15)
d’où ;
smvavvv /121
121' (2.16)
On déduit l’expression suivante de la vitesse 2v en fonction de 1v :
12 21 vav (2.17)
En remplaçant (2.17) dans (2.15), on obtient l’expression suivante de la puissance capturée
par le convertisseur :
231 12 aavAPD (2.18)
Pour caractériser la capacité du convertisseur (la turbine éolienne) à capturer la puissance
cinétique portée par le vent et la transformer en puissance mécanique, on définit le
coefficient de puissance pC tel que
N
Dp PPC (2.19)
Ce coefficient de puissance représente le ratio entre la puissance DP capturée par la turbine
et la puissance totale VP portée par le flux d’air traversant la même surface A avec une
vitesse 1v .
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
22
En utilisant les équations (2.18) et (2.8), on obtient ;
231
231 145.0
12 aavAaavAC p
(2.20)
Pour calculer la limite théorique de Betz, c’est-à-dire la valeur maximale max,pC qui définit la
puissance maximale convertible, il suffit d’optimiser la fonction aC p en calculant sa
dérivée par rapport au facteur a .
01418 2 aaadaadC p (2.21)
En remplaçant par31a (valeur de vérifiant l’équation 2.21) dans (2.20), on obtient la
valeur 593.02716
max, pC .
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Facteur d'interférence du flux axial a
Coe
ffic
ient
de
puis
sanc
e C
p
Figure 2.9 : Variation du coefficient de puissance en fonction du facteur ‘a’
II.5.3. Modèle de la TurbineDans la section précédente, nous avons étudié le processus de conversion de l’énergie
éolienne indépendamment des caractéristiques physiques et mécaniques du convertisseur ou
de la turbine. Le résultat essentiel tiré de l’étude peut se résumer dans l’existence d’une
limite théorique de l’énergie capturée à partir d’un flux d’air. Dans ce qui suit, on étudie
l’influence de la conception physique d’une turbine à pales sur le processus de conversion
d’énergie en se basant sur le modèle d’un élément de pale.
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
23
Pour modéliser et développer la théorie d’un élément infinitésimale de la pale, on
commence par découper une couronne (bande) d’épaisseur dans le disque balayé par les
pales de la turbine (Figure 2.10). L’élément ainsi formé, vu du bout extérieur de la pale, est
illustré dans la figure 2.11 avec l’ensemble des forces aérodynamiques agissantes.
Figure 2.10 : Découpe d’une couronne d’épaisseur dr contenant un élément
infinitésimale de la pale de la turbine
Dans la figure 2.11, le plan de rotation du rotor est le plan balayé par le rayon R du
rotor. L’angle d’orientation de la pale désigné par (Angle de calage ou angle de pitch) est
formé par le plan de rotation et la ligne de corde de la pale. La vitesse relative de l’élément
de pale relv , par rapport au flux d’air, est la résultante du la vitesse du flux 1v et de la
vitesse tangentielle rt de l’air relativement à l’élément de pale en rotation et enfin,
l’angle d’attaque est formé par le vecteur de la vitesse relative relv et la ligne de corde de
la pale. L’angle d’attaque est un paramètre aérodynamique local de la turbine.
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
24
Figure 2.11 : Modèle des forces aérodynamique sur l’élément de pale
A cause du flux d’air, un différentiel de pression s’établis autour de l’élément de pale
engendrant une force perpendiculaire à la direction du flux local, autrement-dit, à la vitesse
relative relv . Cette force s’appelle la force de levage Lf (Lift force). Une autre force, dite la
force de drag Df (Drag force) agit sur l’élément de pale dans le sens de la direction du flux
local, c’est une force qui s’oppose au mouvement de la pale. Les forces de levage et de drag
sont généralement exprimées en fonction des coefficients de lift et de drag LC et DC ,
respectivement.
LrelL Cvcf 2
2 (2.22)
DrelD Cvcf 2
2 (2.23)
Les deux coefficients LC et DC sont des fonctions de l’angle d’attaque. La figure
2.12 présente les formes typiques des deux coefficients pour une certaine pale.
Lf
Tf
Dfrelv
1vrf
tr
Ligne de corde
Plan de rotation
Angle d’attaque
Angle de pitch
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
25
Figure 2.12 : Formes typiques des coefficients de lift et de drag
Il est constaté que pour les petites valeurs de l’angle d’attaque, le coefficient de lift
LC présente une croissance proportionnelle à l’angle d’attaque, alors que le coefficient
de drag DC reste constant et très petit. Cependant, un changement est observé à partir de
la valeur 013 . En effet, au-delà de cet angle d’attaque critique les tendances se
renversent ; LC devient décroissant et DC devient croissant ce qui se traduit par une
réduction de la force de levage et une augmentation de la force de drag.
La résultante des deux forces de levage et de drag est la force aérodynamique
appliquée localement à l’élément de la pale. Cette force aérodynamique se décompose en : 1)
une composante axiale appelée la force de poussée Tf (Thrust force) que le rotor, la tour et
es fondations du système éolien doivent supporter et, 2) une composante tangentielle rf qui
développe un couple de rotation appliqué sur l’axe de la turbine. C’est la force utile. En se
référant à la figure 2.11, on écrit les expressions des composantes axiale et tangentielle :
sincos DLT fff (2.24)
cossin DLr fff (2.25)
En posant et en utilisant les équations (2.22) et (2.23) :
sincos
22
DLrelT CCvcf (2.26)
cossin
22
DLrelr CCvcf (2.27)
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
26
Le couple appliqué à un élément de la pale situé à une distance r de l’axe de rotation est
donné par :
cossin2
2DLrelrr CCrvcfr (2.28)
En définissant le ratio de vitesse du bout de la pale (tip-speed-ratio) par :
1vRt (2.29)
Et en écrivant la vitesse relative du flux relv en fonction de et de 1v :2
1 1
Rrvvrel (230)
La force totale de poussée (Thrust force), le couple total ainsi que la puissance extraite sont
calculés par intégration des expressions (2.27) et (2.28) sur toute la longueur de la pale et, en
faisant des simplifications généralement admises les formules suivantes sont obtenues [10] :
21
2 ,21 vCRF TT (2.31)
21
2 ,21 vCRT Qr (2.32)
(2.33)
Avec les coefficients PC et QC liés par l’égalité :
P
QCC (2.34)
Notons que les coefficients de thrust, de couple et de puissance sont fonctions du ration de
vitesse et de l’angle de pitch.
Les coefficients de couple et de puissance sont d’une importance particulière pour la
commande de la turbine. Les figures 2.13 et 2.14 illustrent les variations de QC et PC en
fonction de la ration de vitesse et de l’angle de pitch .
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
27
Figure 2.13 : Variations du coefficient de couple
Figure 2.14 : Variations du coefficient de puissancePour un angle de pitch fixé à une valeur 0 (par exemple 00 ) les variations de
0,QC et de 0,PC sont illustrées dans la figure (2.15).
Figure 2.15 : Variations de et pour un pitch fixe
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
28
Cette dernière figure montre que, pour un angle de calage (pitch) fixé, la conversion
maximale de l’énergie est obtenue pour une valeur optimale du ratio de vitesse.
II.6 Techniques de commande d’une turbine éolienneLe système éolien est conçu pour la capture d’une partie de l’énergie cinétique porté
par le vent et de la transformer en une forme utile d’énergie mécanique et ensuite en une
énergie électrique qu’on injecte dans un réseau de distribution. L’efficacité d’un système
éolien passe par la maximalisation de l’énergie capturée par l’application de techniques de
commande adéquates telles que représentées par la figure 2.16.
Figure 2.16 : Différentes Techniques de Commande Eolienne.
II.6.1. Commande par décrochage aérodynamique passif
Cette technique est la forme la plus simple de commande de puissance éolienne.
L’angle de calage est fixe, alors que l’angle d’attaque augmente naturellement avec la
vitesse du vent. Cette augmentation provoque une augmentation de la force de poussée et un
décrochage progressif de la pale apparaît si la vitesse de rotation est pratiquement constante.
Ce concept simple ne fait intervenir aucun système mécanique ou électrique auxiliaire.
Cependant, l’utilisation de cette technique exige une conception rigoureuse de la géométrie
Décrochage Angle de calagevariable
Passif Actif
nomVV ,11
31VP
Limitation de puissance
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
29
des pales et un choix très précis de la vitesse de rotation de la turbine pour s’assurer, à une
certaine vitesse du vent, que l’augmentation de la puissance soit effectivement empêchée. En
plus il faut disposer de freins dimensionnés pour absorber l’énergie cinétique de la turbine en
cas de panne empêchant la transmission de la puissance générée au réseau électrique.
II.6.2. Commande par décrochage aérodynamique actifCette technique, appelée aussi décrochage par calage négatif des pales (négative-pitch
control), est basée sur le même principe que le décrochage actif, mais dans ce cas le
décrochage est assuré en diminuant légèrement l’angle de calage pour augmenter l’angle
d’attaque . Ainsi, le décrochage peut être légèrement avancé ou retardé. Comme pour le
décrochage passif, l’utilisation de la technique du décrochage actif nécessite une grande
précision sur la géométrie et la vitesse de rotation de la turbine pour assurer le décrochage à
la vitesse du vent voulue. En plus, il est nécessaire d’ajouter un système électrique ou
hydraulique pour orienter les pales lorsque la vitesse de rotation nominale de la machine sera
atteinte.
Figure 2.17: Principe du décrochage aérodynamique actif.
Lf
Tf
Dfrelv
1V0v
rf
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
30
II.6.3. Commande par angle de calage variable des pales
Il utilise la variation de l’angle de calage des pales (figure 2.18). En variant l’angle
d’attaque de la pale, on modifie le rapport entre les composantes de drag et de poussée.
L’angle d'incidence optimal conduit à la puissance maximale disponible. En général, la
modification de l’angle de calage de la pale de l’éolienne permet quatre actions distinctes:
le démarrage à une vitesse du vent dv1 plus faible
l’optimisation du régime de conversion de l’énergie, quand la vitesse du vent
évolue entre les limites nomd vv ,11 , en complément de la vitesse variable dans une
plage relativement réduite
la régulation par limitation de la puissance pour nomvv ,11 .
la protection de l’éolienne contre les vents trop violents, par la mise en « drapeau »
des pales de l’hélice.
Figure 2.18 : Variation de l'angle de calage d'une pale
Sens de déplacement
Section de palePosition de priseau vent maximale
v
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
31
II.6.4. Poursuite du point de Maximum de Puissance (MaximalPower Point Tracking, MPPT)
Un dispositif « MPPT », de l'anglais Maximum Power Point Tracking correspond à
une stratégie de gestion permettant de suivre le point de puissance maximale d'un générateur
électrique non linéaire. Les systèmes MPPT sont généralement associés avec les générateurs
éoliens à travers une électronique de puissance permettant de maximiser l’efficacité
énergétique du système à travers la variation de la vitesse du vent.
Figure 2.19: Points de MPPT d’une éolienne tripale avec la vitesse de ventPar exemple, la figure 2.19 montre les extrema que poursuit la MPPT d’une éolienne de
type tripale à vitesse du vent variable : la courbe de puissance en forme de cloche, typique des
éoliennes et donnée pour chaque vitesse du vent, présente un point de puissance maximale.
De plus en plus souvent, les génératrices sont donc reliées à un convertisseur
électronique de puissance contrôlé qui permet de réaliser cette fonction. De nombreux
concepts ont été introduits pour parvenir à poursuivre efficacement le point de puissance
maximum pour le « grand éolien ».
0 2 4 6 8 10 12 14-4
-2
0
2
4
6
8
10
12x 10 5
vites s e de ro ta t ion [ rad /s ]
pu
iss
an
ce
éo
lien
ne
[W
]
v1= 6m /sv2= 8m /sv3= 10m /sv4= 12m /sv5= 14m /sv6= 16m /sv7= 18m /s
MPPTMPPT
MPPT
MPPT
MPPTMPPT
MPPT
Chapitre II Etude aérodynamique de la turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
32
II.7.Conclusion
On étude dans ce chapitre les types des turbine éolienne et Différentes parties d’un
turbine par exemple La tour, Le rotor. Les Caractéristiques du vent et modelé de vent et
aussi la modelé aérodynamique de la turbine éolienne à axe horizontal dans ce partir on
étude l’énergie du vent, La Théorie de Betz et le Coefficient de Puissance, et Modèle de la
Turbine, et la Techniques de commande d’une turbine éolienne on a fini le chapitre.
CHAPITRE III :
Modélisation des élémentsd’une chaine éolienne
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
33
III.1 IntroductionDans cette partie, nous allons présentons les modèles de dimensionnement associés à
ce système, en particulier pour la génératrice et les convertisseurs. Nous établissons aussi un
modèle de simulation de la turbine.
Figure 3.1: Architecture globale d’une éolienne
Dans le système est :
Le vent (Voir le modelé du vent dans le chapitre II)
La turbine éolienne « Type tripale »
La génératrice « GADA »
Convertisseur « Redresseur, Onduleur »
III.2 Modélisation de la turbine
Dans cette partie, il y à la turbine éolienne, le multiplicateur de vitesse et le rotor de la
génératrice :
la turbine éolienne se compose de 3 pales orientables;
le multiplicateur adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur
électrique.
0 20 40 60 80 100 1207
8
9
10
11
12
13
temp
vent G
vent Eolienne tripale Génératrice Convertisseur
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
34
L’arbre est relis la partie mécanique à la partie électrique ou bien relie la turbine avec
le générateur
Et la figure ci-dessous représente différent partie de la turbine :
Figure 3.2: Différent partie de la turbine
III.2.1 Modèle de la TurbineLa relation entre la vitesse du vent et la puissance mécanique extraite donne par
l’équation suivante :
32
21 vRPv (3.1)
Où :
ρ= 1,25 kg/m3 : Masse volumique de l'air, dans les conditions normales de température et de
pression.
v : La vitesse du vent.
L’éolienne ne pouvant récupérée qu’une fraction de la puissance du vent (coefficient
de puissance pC ) la puissance aérodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine
s’écrit alors :
32
21 vRCP pD (3.2)
Le coefficient de puissance pC représente le rendement aérodynamique de la turbine
éolienne. Il dépend de la caractéristique de la turbine. La figure 3.3 représente la variation de
ce coefficient en fonction du rapport de vitesse et de l’angle de l’orientation de la pale .
R GT
TCemC
gmecC
Turbine Multiplicateur L’arbre
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
35
Le rapport de vitesse est défini comme le rapport entre la vitesse linéaire des pales et la
vitesse du vent :
vRT (3.3)
Le couple mécanique à la sortie de la turbine est défini par :
T
DT
PC (3.4)
Des approximations numériques ont été développées dans la littérature pour calculer le
coefficient pC et différentes expressions ont été proposées. Nous présentons ci-dessous
quatre formes respectivement :
2300184.0
23.05.1801sin2.167.05.0,
pC (3.5)
6
10.00035.0
43321
25
10035.0
08.01, ceccccC
c
p
(3.6)
'125
' 54.011622.0,
eC p (3.7)
Et
1035.0
08.011
3'
(3.8)
001.01038.6104.91086.910375.171095633.7 223334455 pC(3.9)
Où :
0068.02154.01165109.0 654321 cccccc
Avec :
: Angle de calage.
R : Longueur de la pale.
T : Vitesse mécanique de la turbine en rad/s.
Pour notre exemple d’éolienne, le coefficient de puissance pC est donné l’équation (3.6).
La Figure 3.3 illustre les courbes de ,pC pour plusieurs valeurs de (deg)
obtenues par la relation (3.6).
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
36
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0-0 . 3
-0 . 2
-0 . 1
0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
0 . 5
R a p p o r t d e vi t e s s e " la m e d a "
Co
uff
icie
nt
de
pu
iss
an
ce
B e t t a = 0 d e gB e t t a = 2 d e gB e t t a = 4 d e gB e t t a = 6 d e gB e t t a = 8 d e gB e t t a = 1 0 d e gB e t t a = 1 2 d e g
Figure 3.3: Caractéristique du coefficient de puissance en fonction de la vitesse relative
Sur la Figure 3.3, plusieurs courbes sont représentées mais nous nous sommes
intéressés à celle qui possède le plus haut sommet. Cette courbe est caractérisée par le point
optimal ( 0max 0,48.0,1,8 pC ) qui est le point correspondant au maximum du
coefficient de puissance pC et donc au maximum de la puissance mécanique récupérée. On
peut déterminer la caractéristique puissance en fonction de la vitesse de relative, pour un
vent, v donné.
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4-4
-2
0
2
4
6
8
1 0
1 2x 1 0 5
V i t e e s e d e re t a t io n " ra d / s "
pu
iss
an
se
mé
ca
niq
ue
"w
" V 1 = 6 m / sV 2 = 8 m / sV 3 = 1 0 m / sV 4 = 1 2 m / sV 5 = 1 4 m / sV 6 = 1 6 m / sV 7 = 1 8 m / s
Figure 3.4: Caractéristique de puissance mécanique en fonction de la vitesse relative.
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
37
III.2.2 Modèle du Multiplicateur
Le multiplicateur est la liaison entre la turbine et le générateur. Il est supposé rigide et
modélisé par un simple gain. L’élasticité et le frottement du multiplicateur sont négligés. Les
pertes énergétiques dans le multiplicateur sont considérées nulles. Le couple mécanique de la
turbine éolienne est divisé par le rapport de multiplicateur pour obtenir le couple mécanique
sur l’arbre du générateur:
Tmec CG
C 1 (3.10)
Où :
G : Rapport de multiplication.
mecC : Couple mécanique adaptant la vitesse de la turbine à celle du générateur ainsi
Tg G (3.11)
Où :
g : Vitesse du générateur (rad/s mécanique).
III.2.3 Modèle de l’arbreL’équation différentielle qui caractérise le comportement mécanique de l’ensemble
turbine et génératrice est donnée par :
gTTg
T fCdt
dJ
(3.12)
Où :
TJ : Inertie totale des parties tournantes (turbine + génératrice) (Kg.m2).
Tf : Coefficient de frottement visqueux.
mecemT CCC : Couple totale de l’éolienne (N.m).
emC : Couple électromagnétique de la génératrice en (N.m).
En fonctionnement générateur le couple emC a un signe négatif.
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
38
Figure 3.5: Modèle de la turbine éolienne
III.2.4 Simulation Avec la vitesse du vent constante smv /12 et différent charge
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
100
200
300
400
tem p(s )
vite
sse
sur
l'arb
re d
e gé
néra
teur
(rad
/s)
-a-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
100
200
300
400
tem p(s )
vite
sse
sur
l'arb
re d
e gé
néra
teur
(rad
/s)
-b-
Figure 3.6 : La vitesse sur l’arbre du générateur
a- Sans charge MNCem .0
b- Avec charge MNCem .10
v
,pC TCG1
G1
TT fsj 1
emC
T g
La turbine Le Multiplicateur L’arbre
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
39
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
2
4
6
8
10
12
tem p(s )
vite
sse
de la
tur
bine
(rad
/s)
-a-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
2
4
6
8
10
12
tem p(s )
vite
sse
de la
tur
bine
(rad
/s)
-b-
Figure 3.7 : La vitesse de la turbine
a-Sans charge MNCem .0
b- Avec charge MNCem .10
Avec la vitesse du vent variable smv /12 et différent charge
0 20 40 60 80 100 1200
100
200
300
400
tem p(s )
vite
sse
sur
l'arb
re d
e gé
néra
teur
(rad
/s)
-a-
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
40
0 20 40 60 80 100 1200
100
200
300
400
tem p(s )
vite
sse
sur
l'arb
re d
e gé
néra
teur
(rad
/s)
-b-
Figure 3.8 : La vitesse sur l’arbre du générateur
a- Sans charge MNCem .0
b- Avec charge MNCem .10
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
tem p(s )
vite
sse
de la
tur
bine
(rad
/s)
-a-
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
tem p(s )
vite
sse
de la
tur
bine
(rad
/s)
-b-
Figure 3.9 : La vitesse de la turbine
a-Sans charge MNCem .0
b- Avec charge MNCem .10
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
41
III.3 Modélisation de la Machine Asynchrone à DoubleAlimentation
Dans cette partie en à utilise la modélisation de Machine asynchrone à double
alimentation, et aussi la modélisation de Park. Et les différentes équations du modèle de la
GADA.
La modélisation de Park est construite à partir des équations électriques de la machine
Les hypothèses généralement admises dans le modèle de la machine asynchrone double
alimentation sont:
la parfaite symétrie de la machine.
l’absence de saturation et de pertes dans le circuit magnétique (l’hystérésis et
les courants de Foucault sont négligeables)
la répartition spatiale sinusoïdale des différents champs magnétique le long de
l’entrefer. (Son entrefer est constant).
l’alimentation est réalisée par un système des tensions triphasées symétriques.
les résistances des enroulements ne varient pas avec la température et on
néglige l’effet de peau.
III.3.1 Mise en équations du modèle de la GADA
La représentation schématique de la machine asynchrone dans l’espace électrique est
donnée sur la Figure 3.10.
Rotor
Stator
sAsC
sB
ra
rb
rc
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
42
Figure 3.10: Machine asynchrone modélisée - définition des repères stator et rotor
Dans le cadre des hypothèses simplificatrices et pour une machine équilibrée les
équations de la machine s’écrivent comme suit :
III.3.1.1 Equations électriquesLes équations des tensions des trois phases statoriques et des trois phases rotoriques
sont :
pour le stator :
scscssc
sbsbssb
sasassa
dtdIRv
dtdIRv
dtdIRv
(3.13)
pour le rotor :
rcrcrrc
rbrbrrb
rararra
dtdIRv
dtdIRv
dtdIRv
(3.14)
En désignant par :
scsbsa vvv ,, , rcrbra vvv ,, : Les tensions statoriques et rotoriques.
scsbsa III ,, , rcrbra III ,, : Les courants statoriques et rotoriques.
scsbsa ,, , rcrbra ,, : Les flux. statoriques et rotoriques.
sR , rR : Résistances statoriques et rotoriques.
Sous forme matricielle :
pour le stator :
ssss dtdIRV (3.15)
pour le rotor :
rrrr dtdIRV (3.16)
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
43
III.3.1.2. Équations magnétiquesLes relations entre flux et courants s’écrivent comme suit :
pour le stator :
rcsrrbsrrasrsbssasscssc
rcsrrbsrrasrscssassbssb
rcsrrbsrrasrscssbssassa
IMIMIMIMIMILIMIMIMIMIMILIMIMIMIMIMIL
(3.17)
pour le rotor :
scsrsbsrsasrrbrrarrcrrc
scsrsbsrsasrrcrrarrbrrb
scsrsbsrsasrrcrrbrrarra
IMIMIMIMIMILIMIMIMIMIMILIMIMIMIMIMIL
(3.18)
Sous forme matricielle on a :
pour le stator :
rsrssss IMIL (3.19)
pour le rotor :
IsMIL srrrrr (3.20)
Avec :
rrr
rrr
rrr
rr
sss
sss
sss
ss
LMMMLMMML
LLMMMLMMML
L , (3.21)
Tsrrssrsr LLML
,
cos3
2cos3
4cos
32coscos
32cos
32cos
34coscos
(3.22)
Telle que :
- sL : L’inductance propre d’une phase statorique.
- rL : L’inductance propre d’une phase rotorique.
- sM : L’inductance mutuelle entre phases statoriques.
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
44
- rM : L’inductance mutuelle entre phases rotoriques.
En désignant par srL la mutuelle inductance entre phases statoriques et rotoriques et par Msr
sa valeur lorsque leur axes coïncident.
III.3.1.3 Equation mécanique
Le couple électromagnétique est donné par la dérivée partielle de la Co énergie par
rapport à l’angle mécanique entre le rotor et le stator. Pour simuler la machine, en plus des
équations électriques il faut ajouter l’équation du mouvement du système :
ggrem fdtdJCC (3.23)
III.3.2 Modèle de Park
Les équations précédentes permettent la modélisation de la machine dans le plan (a b
c). Elles peuvent être implantées dans un calculateur. Par contre, vu la complexité (36 termes
pour l’énergie magnétique) de ces équations non linéaires et multi variable. Pour cela on
utilise la transformation de Park qui permettra de rendre simple à les étudier.
La matrice P de (Park) est donnée sous la forme suivante :
21
21
21
34sin
32sinsin
34cos
32coscos
32
P (3.24)
Son inverse 1P est donnée par :
13
4sin3
4cos
13
2sin3
2cos
1sincos1
P (3.25)
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
45
L’angle dans la matrice P prend la valeur s pour les grandeurs statoriques et la
valeur rs pour les grandeurs rotoriques.
III.3.2.1 Choix du référentiel
Pour étudier la théorie des processus transitoires des machines on utilise trois systèmes
de Park qui sont des cas particuliers du système d’axes (d, q).
sc
sb
sa
sq
sd
VVV
PVV
(3.26)
sc
sb
sa
sq
sd
III
PII
(3.27)
La machine asynchrone peut être modélisée dans un repère diphasé (d, q) par le
système d’équation (3.28).
rdrrqrqrrq
rqrrdrdrrd
sdssqsqssq
sqssdsdssd
dtdIRVdtdIRVdtdIRVdtdIRV
(3.28)
Avec : sr (3.29)
On remplace (3.29) dans (3.28) on trouve :
rdsrqrqrrq
rqsrdrdrrd
sdssqsqssq
sqssdsdssd
dtdIRVdtdIRV
dtdIRVdtdIRV
(3.30)
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
46
III.3.2.1.1 Repère lié au stator
Dans ce cas les repères (d, q) sur le stator.0s (3.31)
et :
rrs (3.32)
rrs
dtd
dtd
dtd
,0 (3.33)
Et la figure suivant montre les repères (d, q ) lié au stator.
Figure 3.11: Les repères (d, q ) lié au stator.
III.3.2.1.2 Repère lié au rotor
Dans ce cas les repères (d, q) sur le rotor.
0r (3.34)
et :
srs (3.35)
d
q
ra Rotor
Stator
sA
rb
sB
sC
rc
r
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
47
ssr
dtd
dtd
dtd
,0 (3.36)
Et la figure suivant montre les repères (d, q) lié au rotor
Figure 3.12: Les repères (d, q ) lié au rotor.
III.3.2.1.3 Repère lié au champ tournant
Dans ce cas les repères (d, q) sur le champ tournant.
s
s
dtd
(3.37)
srrs (3.38)
sssr g
dtd
dtd
dtd
(3.39)
Et la figure suivant montre les repères (d, q) lié au champ tournant.
Stator
ra Rotor
sB
rb
sC
rc
sA
d
q
s
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
48
Figure 3.13: Les repères (d, q ) lié au champ tournant .
III.3.3 Expression de la puissance et du couple électromagnétique
Le calcul de couple mécanique de la machine asynchrone se base sur la connaissance
de la puissance instantanée tP , soit :
sqsqsdsdscsbsbsasaem IVIVVIVIVP (3.40)
sqsdssqsqssdsqssdsdsem IdtdIRI
dtdIRP
(3.41)
321
22sdsqsqsds
sqsd
sdsqssdsem II
dtd
Idt
dIRIRP
(3.42)
1) : Représente les pertes par effet joules.;
2) : Représente la puissance électromagnétique.
3) : Représente la puissance électrique transformé en puissance mécanique.
Stator
sB
ra Rotor
sA
rc
rb
sC
r s
dq
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
49
III.3.3.1 Couple électromagnétiqueOn a :
sdsqsqsdsemem IICP (3.43)
Avec :
P (3.44)
sdsqsqsdsdsqsqsdem IIPIIPP
(3.45)
En faisant appel au flux rotorique :
On a
sdsrrdrrd IMIL (3.46)
Soit :
sdr
sr
r
rdrd I
LM
LI
(3.47)
Et :
sqsrrqrrd IMIL (3.48)
Soit :
sqr
sr
r
rqrq I
LM
LI
(3.49)
On aura :
sdrqsqrdr
srem II
LMpC (3.50)
On peut écrit aussi :
sdrqsqrdem IIIIpMC 2
3 (3.51)
III.3.4 Bloc de simulation de la machine asynchrone
Pour réaliser cette simulation nous traduisons le modèle mathématique de la machine
mis sous forme d’état utilisant des blocs de simulation par le logiciel Matlab/Simulink .dans
le schéma de simulation présenté dans la Figure 3.14 on va simuler numériquement le
fonctionnement de la machine, les courbes obtenues sont présentées ci-dessous
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
50
Figure 3.14: Bloc de simulation de la machine asynchrone
III.3.5 Simulation
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-4000
-2000
0
2000
temp (s)
les
cour
ant s
tato
rique
(A) i ds
iqs
-a-
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-2000
0
2000
4000
temp (s)
les
cour
ants
roto
rique
(A)
idriqr
-b-
Figure 3.15: Les courants statoriques et rotoriques
a- Statoriques
b- Rotoriques
ModèleDe
Park
ModèleDe
GADA
aV
bV
cV
dV
qV
sdV
sqV
rdV
rqV
rW
rqrd
sqsd
II
II
emC
W
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
51
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-5000
0
5000
10000
temp (s)
Cem
(N/m
)
Cem
Figure 3.16 : Le couple électromagnétique
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
200
400
600
800
temp (s)
vite
sse
de g
éner
ateu
r(re
d/s)
Figure 3.17 : La vitesse de générateur
III.4 Modélisation des convertisseursIII.4.1 Redresseur à trois phases
Dans cette partie on présentera la modélisation du redresseur à diode.
Les redresseurs sont les convertisseurs de l’électronique de puissance qui assurent la
conversion alternative continu (AC/DC), ils sont alimentés par une source de tension
alternative, ils permettent d’alimenter en courant continu le récepteur branché à leur sortie.
III.4.1.1 Schéma symbolique de Redresseur
Figure 3.18: Schéma de principe de Redresseur
L’entrée AC La sortie DC
Convertisseur alternatif (AC) - continu (DC)
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
52
III.4.1.2 Schéma bloc de redresseur
Figure 3.19: Redresseur a diodeIII.4.1.3 Simulation
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-200
-100
0
100
200
300
400
temp(s)
Us,
Uch
,Ich
UchUsaUsbUscIch
Figure 3.20: Les tensions de source, Tension de charge et Courant de charge
III.4.2 Onduleur à trois phases
Dans cette partie on présentera la modélisation respectivement de l’onduleur.
Un onduleur est un convertisseur statique assurant le convertisseur continu – alternatif,
alimenté en continu, il modifie la façon périodique les connections entre l’entré et la sortie et
permet d’obtenir d’alternatif à la sortie.
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
53
III.4.2.1 Schéma symbolique de l’onduleur
Figure 3.21: Schéma de principe de l’onduleur
III.4.2.2 Structure de l’onduleur de tension
On peut réaliser un onduleur triphasé en groupant trois onduleurs monophasés de l’un
ou l’autre, il suffit de décaler d’un tiers de période les commandes des trois phases. La
Figure 3.22 représente un onduleur triphasés formé de trois demi ponts monophasés et
utilisent un diviseur capacitif commun.
Chacune des tensions de sortie est égale tantôt à (+U/2), tentant à (-U/2). Les
interrupteurs fonctionnent comme en monophasé la seule différence est que le courant
arrivant au point milieu du diviseur est IN telle que IN=IA+IB+IC .
Figure 3.22: Onduleur de tension triphasé
Convertisseur continu (DC)-alternatif (AC)
L’entrée DC La sortie AC
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
54
La présence de neutre relie à la source est indispensable si le récepteur est déséquilibre
tout particulièrement s’il comporte des charges monophasés montées entre phase et neutre.
Si le récepteur triphasé et équilibré, on peut supprimer la liaison entre le point neutre ’
N’ de la charge et le point milieu ‘O ‘du diviseur capacitif, donc supprimer celui-ci on
obtient alors l’onduleur de tension en pont triphasés proprement dit reprisent sur la Figure
3.22.
III.4.2.3 Modèle de commande de l’onduleur de tensionLes interrupteurs K1 et K1
’, K2 et K2’, K3 et K3
’ doivent être complémentaires deux à
deux, quelque soit la loi de commande à adopter, les interrupteurs imposent les tensions
entre les bornes de sortie A, B, C et le point milieu (fictif) ‘O’ de la source de tension.
ouvertKEferméKEVV
ouvertKEferméKEVV
ouvertKEferméKEVV
OC
OB
OA
33
22
11
2,
2
2,
2
2,
2
(3.52)
Les interrupteurs imposent donc les tensions composées à la sortie de l’onduleur ainsi
pour la première de ces tensions.
.0
..0
.
21
21
21
21
ouvertsKetKSiVVVVVVferméKetouvertKSiEVVVVVV
fermésKetKSiVVVVVVouvertKetferméKSiEVVVVVV
OBOABA
OBOABA
OBOABA
OBOABA
(3.53)
Son point neutre étant isolé, si le récepteur est équilibré on peut passé des tensions
composées aux tensions simples VA, VB, VC à la sortie de l’onduleur.
Pour que, quelle que soit leurs formes d’ondes, les trois courants IA, IB, IC aient une
somme nulle, il faut que leurs trois fondamentaux aient une somme nulle et qu’il en soit de
même pour les divers harmoniques.
Si le récepteur est équilibré, si trois phases présentent la même impédance pour le
fondamental ainsi que pour les divers harmoniques, les produit impédances ‘Z’ courant, c’est
–à- dire les tensions ont une somme nulle pour les fondamentaux ainsi que les systèmes
harmoniques successifs, on ajoutant toutes ces sommes on obtient la somme nulle des trois
tensions.
CBACC VVVVV .31.
31 (3.54)
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
55
A cause de l’équilibre du récepteur :
IA+IB+IC=0 entraîne VA+VB+VC=0 (3.55)
On peut donc écrire :
CBAACBA VVVVVVV .31.
31.
32.
31.
31
(3.56)
ACBAA VVVVV .31 (3.57)
Et
ACBAA VVVVV 31.
31 (3.58)
Et de même
BACBB VVVVV .31.
31 (3.59)
On obtient finalement :
OCOBOAC
OCOBOAB
OCOBOAA
VVVVVVV
VVVVVVV
VVVVVVV
.2.31
.2.31
.2.31
(3.60)
Si VAO, VBO et VCO sont les tensions d’entrée de l’onduleur (valeur continues), alors
VA, VB et VC sont les tensions de sorties de cet onduleur (valeur alternatives), par
conséquent, L’onduleur de tension peut être modélisé par une matrice [T] assurant le passage
continu - alternatif (DC-AC).
On aura alors :
DCABC VTV .
(3.61)
Avec :
TCBAABC VVVV : Tensions alternatifs équilibrées.
TCOBOAODC VVVV : Tension continues.
0
1exlusifouSi i=1, 2,3 (commutation supposée idéales).
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
56
211121112
.31T (3.62)
III.4.2.4 Simulation
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-500
0
500
temp(s)
Uan
,Ian
IchUch
Figure 3.23 : La Tension d’une phase et Courant d’une phase
Chapitre III Modélisation des éléments d’une chaine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
57
III.5 Conclusion
Dans ce chapitre on a étude la modélisation d’une éolienne (turbine, générateur,
convertisseur).
Et la modélisation de turbine il compose trois parties (turbine éolienne, multiplicateur,
l’arbre) et la turbine éolienne se compose de trois pales orientables, et le multiplicateur
adapte la vitesse de la turbine éolienne à celle du générateur électrique, et l’arbre c’est
liaison entre la partie mécanique et la partie électrique ou bien la liaison entre la turbine et
le générateur
Et la modélisation du générateur c’est une génératrice asynchrone double alimentation
et on a modélisé le modèle de Park, et le modèle de GADA lies au champ.
Et les convertisseurs se compose deux parties (redresseur, onduleur).et le redresseur
c’est une convertir le courant alternatif a courant continu, et l’onduleur c’est une convertir le
courant continu a courant alternatif.
CHAPITRE IV :
Simulation du fonctionnementet de la commande d’une
turbine éolienne
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
58
IV.1 IntroductionDans ce chapitre comporte deux parties la première partie consiste à étudie les
différentes structures d’un système éolienne, puis on choisit une structure pour la
simulation et le teste. Est la structure que choisit c’est la structure a doublé alimentation
le stator connecté directe aux réseaux et le rotor connecté au convertisseur. Et la commande de
turbine c’est la dernière partie.
IV.2 Les différentes structures des systèmes éoliennesDans cette partie on étude les différentes configurations d’un système éolienne à
vitesse fixe et à vitesse variable.
IV.2.1 Les différentes structures des systèmes à vitesse fixeLa structure de système à vitesse fixe est basée sur la machine asynchrone à cage.
Dans ce cas le stator connecté directement au réseau électrique. Et la puissance conversion
100% à la puissance nominale.
Figure 4.1: Système à vitesse fixe.
Les avantages et les inconvénients de cette structure montré dans le tableau suivant :
G1 MAS
Turbine
Multiplicateurde vitesse
Réseau
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
59
Avantages. Inconvénients.
Utilisation d’une machine standard,
robuste et pas chère.
Pas de gestion de la puissance extraite.
Au qu’une interface d’électronique de
puissance.
Maintenance de la boite de vitesse.
Système de contrôle très simple. Magnétisation de la machine non gérée.
Fonctionnement à une plage de vitesse de
vent très étroite, donc une production
d’énergie très perturbée.
Tableau 4.1 : Avantages et Inconvénients de système à vitesse fixe
IV.2.2 Les différentes structures des systèmes à vitesse variableIl existe plusieurs structures possibles que nous pouvons classés suivant la gamme de
variation de la vitesse de rotation de la machine électrique utilisée.
IV.2.2.1. Vitesse variable par dissipation de la puissance rotoriqueCette structure utilise une machine asynchrone à rotor bobiné dans ce cas le stator est
connecté directement au réseau électrique et le rotor connecté à un redresseur alimentant une
charge. Et la variation de vitesse de l’ordre de 10% au-delà de la vitesse de synchronisme
Figure 4.2: Système à vitesse variable par dissipation de la puissance rotorique.
Les avantages et les inconvénients de cette structure montré dans le tableau suivant :
G1
MAS
AC
DCTurbine
Multiplicateurde vitesse
Réseau
Redresseur
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
60
Avantages Inconvénients
Vitesse variable à environ 10% de la
vitesse du synchronisme, mais reste encore
une faible variation.
Puissance extraite non optimisée.
Système de contrôle simple. Maintenance de la boite de vitesse et des
contacts glissant au rotor de la machine.
Électronique de puissance faiblement
dimensionnée.
Magnétisation de la machine non gérée.
Tableau 4.2: Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable par dissipation de
la puissance rotorique.
IV.2.2.2 Vitesse variable par double alimentation stator - rotorCette structure est différente par rapport à la première structure, utilise une machine
asynchrone a rotor bobine et le stator connecté directement au réseau électrique et le rotor
connecté le convertisseur alimentant le réseau électrique. Et l’électronique de puissance
dimensionnée à seulement 30% de sa puissance nominale.
Figure 4.3: Système à vitesse variable par double alimentation.
Les avantages et les inconvénients de cette structure montré dans le tableau suivant :
G1
MAS
AC
DC
DC
AC
Multiplicateurde vitesse
Turbine
Réseau
Redresseur Onduleur
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
61
Avantages Inconvénients
Vitesse variable à environ ±30% de la
vitesse du synchronisme.
Maintenance de la boite de vitesse et des
contacts glissants.
Puissance extraite optimisée. Système de contrôle très complexe.
Électronique de puissance dimensionnée à
seulement 30% de PN.
Coût d’électronique de puissance relatif.
Connexion au réseau plus facile à gérer.
Tableau 4.3: Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable double
alimentation stator - rotor
IV.2.2.3 Vitesse variable par pilotage du statorIl y’a deux structures possibles suivant le type de la machine (Machine asynchrone,
Machine synchrone. et dans les deux structures le stator connecte le convertisseur
alimentant le réseau électrique. Et d’électronique de puissance, dimensionnée au moins à
100% de la puissance nominale de la machine. La structure avec machine synchrone est la
plus utilisée car la mise en œuvre des machines spécifiques multipolaires permet de
supprimer ou de réduire le multiplicateur de vitesse.
G1
MASAC
DC
DC
AC
Réseau
OnduleurRedresseurMultiplicateur
de vitesse
Turbine
a
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
62
a
Figure 4.4: Variation de la vitesse de 0 à 100% de la vitesse nominale.
a) structure à base d’une machine asynchrone.
b) structure à base d’une machine synchrone.
Et les avantages et les inconvénients de cette structure montré dans le tableau suivant :
Avantages. Inconvénients.
Vitesse variable sur toute la plage de
vitesse.
Machine spécifique à plusieurs paires de
pôles donc très encombrée et de grand
diamètre.
Puissance extraite optimisée. Électronique de puissance dimensionnée à
au moins 100% PN donc plus chère.
Connexion au réseau plus facile à gérer. Coût de la machine élevé surtout dans le
cas d’une machine synchrone à aimant.
Absence du multiplicateur de vitesse (pour
les machines synchrones a grand nombre
de pôles).
Tableau 4.4: Avantages et Inconvénients de système à vitesse variable par pilotage du
stator
MSAC
DC
DC
AC
Turbine
Redresseur Onduleur
Réseaub
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
63
IV.2.3 Schéma bloc d’une chaine éolienne
RL
C
C
Discrete,Ts = 5e-005 s.
pow ergui
v+ -
V4v+ -
v+ -
V2v+ -
oumega
Turbine
A
B
C
a
b
c
Transformateur
t
To Workspace1
A
B
C
a
b
c
Réseau
w m
A
B
C
a
b
c
MAD
Les couants de transformateuret de chargeLes Tensions de Redresseus Les Tensions d'Onduleur
A
B
C
A
B
C
L
i+ -
i+ -
Clock
a
b
c
A
B
C
ChargeRL
v ent
Vent
v ar
v br
v cr
Vcc
Vdc
Redresseur à doide
Vtra
Vtrb
Vtrc
Vdc1
Vdc
Onduleur
Figure 4.5 : Chaine éolienne on Simulink
IV.2.4 Simulation
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
500
1000
1500
2000
temp(s)
tens
ions
redr
esse
(v) apre
avant
-a-
1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.120
500
1000
1500
temp (s)
Tens
ions
redr
esse
(V)
apreavant
-b-
Figure 4.6: Les tensions redressent
a- Tensions redresse avant et âpres le filtrage.b - Zoome des tensions.
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
64
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-2000
-1000
0
1000
2000
temp(s)
tens
ions
ond
uleu
r(V
)
apreavant
-a-
0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1
-1000
0
1000
temp(s)
tens
ions
ond
uleu
r(V
)
apreavant
b-
Figure 4.7: Les tensions d’onduleur
a- Tensions d’onduleur avant et âpres le filtrage.b - Zoome des tensions.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-400
-200
0
200
400
temp(s)
Cou
rant
s(A
)
Itar
I ch
-a-
0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1-400
-200
0
200
temp(s)
Cou
rant
s(A
)
Itar
I ch
-b-
Figure 4.8: Les courants de transformateur et de charge
a – Les courantsb - Zoome les courants.
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
65
IV.3 Commande d’une turbine éolienneDans cette partie, nous commençons par trois stratégies de commande différentes
seront abordées pour chaque zone il y a deux type de commande de fonctionnement de
l’éolienne.
IV.3.1 Objectifs de la commandeLa minimisation du coût d’énergie implique une série d'objectifs étroitement liés et
parfois en conflit. Par conséquent, ils ne devraient pas être poursuivis séparément. La
question est de trouver un compromis bien équilibré entre eux. Ces objectifs peuvent être
arrangés de la matière suivante:
Capture de l’énergie : Maximisation de la capture d'énergie en tenant compte des
restrictions d'exploitation sûre telles que la puissance nominale et la vitesse
nominale.
Charges mécaniques : protection du système éolien des charges mécaniques
excessives.
Qualité de l’énergie : production de l’énergie conformément aux normes
d'interconnexion.
IV.3.2 Caractéristique de puissanceLes objectifs de commande que nous venons de citer permet de tracer la caractéristique
que la turbine doit suivre pour rependre aux exigences de la commande. Cette caractéristique
est représentée sur la figure ci-dessous
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
66
Figure 4.9 : Caractéristique idéale de puissance d'une éolienne à vitesse variable.
Cette caractéristique, idéale, montre trois zones différentes avec des objectifs de
commande distinctifs.
Zone I : La vitesse du vent dans cette zone est très faibles et la puissance disponible est
inférieure à la puissance nominale de la turbine éolienne.
L’objectif dans cette zone est d’extraire à la maximum de puissance du vent .dans ce
cas on applique la technique MPPT « technique d’extraction de maximum de puissance ».
Zone II « zone de charge nominale » : C’est une zone de transition entre la charge
partielle et la zone de charge. Dans cette zone la vitesse du vent est nominale et la vitesse de
rotation est constante.
Zone III : Dans cette zone la vitesse du vent fort.
L’objectif est limiter la puissance produite à la valeur de puissance nominale de
l’éolienne pour éviter la surcharge. Cela se fait par action sur l’angle de calage des pales.
Power KW
NP
smv /
I IIIII
minv NN vv maxv
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
67
IV.3.3 Commande d’une turbineIV.3.3.1 Commande dans la zone I
L’objectif de cette commande en cherche à extraire le maximum de puissance du vent,
et dans cette commande on a varié la vitesse de rotation de l’éolienne et le coefficient de
vitesse réduite égale la valeur optimale opt pur l’angle de calage est fixe. Le
coefficient de puissance de l’éolienne est alors égal à sa valeur maximale maxpC .dans cette
zone, on utilise la technique MPPT pour l’optimisation de puissance.
Il y à deux type de commande
Commande indirecte (sans asservissement)
Commande directe (avec asservissement)
IV.3.3.1.1 Commande indirecte (sans asservissement)Dans cette commande la vitesse du vent varie très peu en régime permanent .et le
couple d’accélération de la turbine est nul .dans ce cas l’équation (3.12) on peut écrire :
0 emmecgTgT CCfdtdJ (4.1)
Et l’effet du couple dû aux frottements visqueux et néglige 0 gTf par rapport le couple
mécanique mecC , et l’équation (4.1) on peut alors écrire :
emmec CC (4.2)
La Figure 4.10 présente le principe du contrôle MPPT de la turbine éolienne sans
asservissement de la vitesse de rotation.
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
68
Figure 4.10: Contrôle MPPT sans asservissement de la vitesse de rotation.
La vitesse de rotation de la turbine estime, notée estT , est obtenue à partir de la mesure de
la vitesse de rotation :
Gg
estT
(4.3)
La vitesse du vent estime, est obtenue à partir de l’estimation de la vitesse rotation de la
turbine :
Rv estT
est. (4.4)
Le couple de la turbine éolienne estime, est obtenue à partir des estimations de la vitesse du
vent et de la vitesse de rotation de la turbine. Il peut s’exprimer par :
estestT
pestT vSCC
12 (4.5)
Le couple électromagnétique de référence est alors obtenu à partir de l’estimation du couple
de la turbine éolienne :
GCC estT
refem
(4.6)
Modèle De laTurbine
emC
(4.3)(4.4)
(4.5) (4.6)
Modèle
Commande
v
g
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
69
Afin d’extraire le maximum de puissance, il faut fixer la vitesse relative à sa valeur optimale
opt afin d’obtenir le coefficient de puissance maximum maxpC . Le couple électromagnétique
de référence s’exprime donc par:2grefem KC (5.7)
Où K est une constante définie par :
3
5max
2 opt
p
GRC
K
(5.8)
IV.3.3.1.2 Commande directe (avec asservissement)Dans cette commande on réglé le couple électromagnétique sur l’arbre de générateur
pour cella fixer la vitesse de rotation de générateur à une vitesse de référence.
Pour réaliser ceci, la commande de la vitesse de rotation de générateur doit être effectuée,
comme le montre la Figure 4.11.
Figure 4.11: Contrôle MPPT avec asservissement de la vitesse de rotation.
Le couple électromagnétique de référence refemC permettant d’obtenir une vitesse de
rotation g égale à sa valeur de référence refmecC est obtenu en sortie du régulateur de
Modèle De laTurbine
v
(4.10) PI
emC
Commande
Modèle
(4.9)
g
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
70
vitesse (“PI” sur la Figure 4.11). Ce régulateur, de type Proportionnel Intégral (PI), permet
ainsi d’asservir la vitesse de rotation et d’atténuer l’effet du couple mécanique
mecC considéré comme une perturbation.
Pour un point de fonctionnement donné (vitesse du vent fixe), on souhaite que la
puissance mécanique soit maximale, ce qui correspond à la valeur maximale du
coefficient pC . Celle-ci est obtenue si la vitesse relative λ est égale à sa valeur optimale opt
(pour constant et égal à 0°), comme le montre la Figure 4.12.
0 2 4 6 8 10 12 140
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
lameda
Cp
betta=0 deg
Figure 4.12: Coefficient de puissance pC en fonction de pour 00 .
La vitesse de rotation de référence de la turbine refT est obtenue à partir de
l’équation (3.3) et est définie par :
Rvopt
refT
(4.9)
Nous en déduisons la référence de vitesse de rotation de la générateur en prenant en
compte le gain du multiplicateur par :
refTrefg G (4.10)
L’utilisation d’un unique anémomètre sur l’éolienne conduit à utiliser une mesure
locale de la vitesse du vent qui n’est pas représentative de la valeur moyenne de la vitesse du
vent apparaissant sur les pales. Ainsi, une mesure erronée de la vitesse du vent conduit à une
dégradation de la puissance extraite. Pour cette raison, la plupart des turbines éoliennes
installées sont contrôlées sans asservissement de la vitesse de rotation.
IV.3.3.2 Commande dans la zone IIDans cette zone la vitesse du vent augmente à certain niveau, la vitesse de rotation de
la turbine à sa valeur maximale et doit être limitée pour protéger les éléments mécaniques.
Cette limitation est mise en œuvre en saturant la vitesse de référence refg dans la
maxpC
opt
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
71
commande directe de vitesse et en augmentant le couple de référence, pour maintenir une
vitesse de rotation constante, dans le cas de la commande indirecte de vitesse. L’optimisation
de la conversion énergétique n’est plus alors le critère principal.
IV.3.3.2. 1 Commande indirecte de vitesse
L’équation (3.12) donne le couple optimale à imposer à la génératrice, comme
l’optimisation de la puissance n’est pas l’objectif dans cette zone, le coefficient de puissance,
donc la vitesse spécifique , n’est plus égale à sa valeur optimale. L’important dans cette
zone de fonctionnement est de régler à une valeur qui donne une vitesse de rotation
constante égale à la vitesse nominale nomT .On écrit alors :
vR nomT
nom (4.11)
Ainsi, on obtient la nouvelle expression du couple à imposer à la génératrice.
nom
nomprefmec
CvR
GC
23
21
(4.12)
ggfor fC (4.13)
forrefmecem CCC (4.14)
Ce nouveau couple est proportionnel au carré de la vitesse du vent. On doit
Obtenir une vitesse de rotation constante en imposant ce couple à la génératrice électrique.
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
72
Figure 4.13: Commande indirecte de la vitesse (zone II).
IV.3.3.2. 2 Commande directe de vitesse
Dans cette commande on a saturé la référence de la vitesse à une valeur égale à la
vitesse maximale de l’éolienne. Le régulateur va donc imposer un couple plus important à la
génératrice pour assurer une vitesse de rotation constante de l’ensemble turbine machine
électrique, la structure de commande est montrée sur la figure ci-dessous.
RvGrefg
(4.15)
ModèleDe la
Turbine
(4.12)
(4.13)Commande
Modèle
emC
gv
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
73
Figure 4.14 : Commande directe de la vitesse (zone II).
IV.3.3.3 Commande dans la zone III
Les vitesses du vent importantes (en général > 12m/s) dans cette commande, et la but
dans cette zone est limité et de maintenir la production de puissance active à sa valeur
nominale nomP afin de préserver l’ensemble des éléments de l’éolienne dimensionnés autour
de cette puissance. Une action sur l’angle de calage des pales permet de dégrader le
coefficient de puissance donc de limiter la puissance convertie.
Et la Figure 4.15 représente la simplification de la structure de commande, la fonction de
transfert entre ref et P (puissance électrique produite) a été approchée par un système du
1er ordre. Cette approche conduite à contrôler la puissance électrique P par un régulateur PI
en boucle fermé.
Modèle De laTurbine
(4.15) PI
Modèle
Commande
emC
vg
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
74
Figure 4.15: Schémas bloc de la commande de l’angle de calage des pales.
IV.3.4 SimulationIV.3.4.1 La zone I
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
temp
vite
sse
de M
AS
-a-
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
temp
vite
sse
de M
AS
-b-
Figure 4. 16: La vitesse sur l’arbre du générateur
a- Commande directe
b- Commande indirecte
PI P
Limitation
De' à
10%1
1s s
1
mesP
nomP ref'
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
75
0 20 40 60 80 100 1200
1
2
3
4
temp
vite
sse
de tu
rbin
e
-a-
0 20 40 60 80 100 1200
1
2
3
4
temp
vite
sse
de tu
rbin
e
-b-
Figure 4. 17: La vitesse de la turbine
a-Commande directe
b-Commande indirecte
IV.3.4.2 La zone II.
0 20 40 60 80 100 1200
100
200
300
400
temp
vite
sse
de M
AS
a
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
76
0 20 40 60 80 100 1200
100
200
300
400
temp
vite
sse
de M
AS
b
Figure 4.18: La vitesse sur l’arbre du générateur
a- Commande directe
b- Commande indirecte
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
temp
vite
sse
de tu
rbin
e
-a-
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
temp
vite
sse
de tu
rbin
e
-b-
Figure 4.19 : La vitesse de la turbine
a-Commande directe
b-Commande indirecte
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
77
IV.3.4.3 La zone III.
0 20 40 60 80 100 1200
200
400
600
800
temp
vite
sse
deM
AS
Figure 4. 20: La vitesse sur l’arbre du générateur
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20
25
temp
vite
sse
de tu
rbin
e
Figure 4. 21: La vitesse de turbine
0 20 40 60 80 100 120-0.05
0
0.05
0.1
0.15
temp
betta
regu
ler
Figure 4. 22:Variation de l’angle de calage
Chapitre IV Simulation du fonctionnement et de la commande d’une turbine éolienne
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
78
IV.4 ConclusionIl y a deux types de systèmes éoliens. Système à vitesse fixe base sur la machine
asynchrone à cage. Et le contrôle de système simple. Et système à vitesse variable existe
plusieurs structures. Par exemple vitesse variable par dissipation de la puissance rotorique
et base sur la machine asynchrone a rotor bobine dans ce cas la vitesse variable à environ
10% de la vitesse du synchronisme, par double alimentation stator - rotor base sur la
machine asynchrone a rotor bobine dans ce cas la vitesse variable à environ ±30% de la
vitesse du synchronisme. Par pilotage du stator base sur la machine asynchrone a rotor
bobine ou la machine synchrone dans ce cas la vitesse variable sur toute la plage de vitesse.
Pour la commande de la turbine Il existe trois zones de commandes : dans la zone I et
faibles vitesses du vent, et la puissance disponible est inférieure à la puissance nominale de
la turbine. Et L’objectif dans cette zone est d’extraire le maximum de puissance du vent. Et
la Zone II c’est un zone de transition entre la zone de charge partielle (zone I) et la zone de
charge nominale (zone II). Et la vitesse de rotation est maintenue constante pour des raisons
mécaniques (contraintes des pales) et acoustiques (bruits générés). Et la zone (III) et la
vitesse du vent fort, l’objectif dans cette zone est de limité la puissance produite à une valeur
égale à la puissance nominale de l’éolienne pour éviter les surcharges. Cela se fait par action
sur l’angle de calage des pales.
Conclusion générale
Conclusion générale
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
Conclusion générale
Le présent travail nous a permis de faire contribution à la modélisation et la commande
d’une turbine éolienne. L’objectif de notre travail était de faire une modélisation des
différents composants du système éolien pour ensuite utiliser ces modèles pour élaborer un
système de commande.
Le premier chapitre rappelle l’introduction aux systèmes éoliens.
Dans le deuxième chapitre rappelle Modèle aérodynamique de la turbine éolienne à
axe horizontal.
Dans le troisième chapitre rappelle la modélisation d’une éolienne « la turbine,
générateur double alimentation, et convertisseur (Redresseur, Onduleur) » .Les
résultats de simulation de ce modèle sous Matlab/Simulink.
Le dernier chapitre, on étude la simulation du fonctionnement et de commande d’une
turbine éolienne.
Comme perspectives pour ce présent travail, nous envisageons :
Commande Plusieurs turbines connecte le réseau.
Redresseur MLI
Régulation de courant
Optimisation des paramètres d’une chaine éolienne.
Annexe
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
ANNEXE
1. Paramètres de la turbine éolienne
Paramètres Valeurs
Puissance nominale nP 300 kWRayon d’une pale pR 14 m
Inertie TJ 5 kg.m2
Frottement visqueux Tf 7 .10-3
Gain du multiplicateur de vitesse G 28
Coefficient de puissance maximal maxpC 0.48
Vitesse relative optimale opt 8.1
Vitesse du vent nominale nvV 12 m/s
Vitesse du vent de démarrage minvV 3 m/s
Vitesse du vent de l’arrêt maxvV 25 m/s
2. Paramètres de la MADA
Paramètres Valeurs
Puissance nominale nP 300 kW
Tension nominale nV 400/690 V
Résistance statorique sR 0.0063
Résistance rotorique rR 0.0045
Inductance statorique sL 0.0118 H
Inductance rotorique rL 0.0116 H
Inductance magnétisante srL 0.0115 H
Nombre de paires de pôles p 2
Chapitre I Introduction aux Systèmes Eoliens
Bibliographies
Contribution a la Modélisation et LaCommande D’une Turbine Eolienne
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