BADJI MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITE بانع–راتخم يجاب عماجbiblio.univ-annaba.dz/.../2017/12/Kherouf-Mohamed.pdf · Juin 2017 Faculté des Sciences de l'ingénieur

وزارة التعليم العالي و البحث العلمي

UNIVERSITE BADJI MOKHTAR-ANNABA عنابت–جامعت باجي مختار Juin 2017

Faculté des Sciences de l'ingénieur Département électrotechnique

MEMOIRE

Présenté en vue de l'obtention du diplôme de Master

Domaine : Sciences et technologie

Filière : Electrotechnique

Spécialité : Electronique de puissance

Par :

Kherouf Mohamed

Kherici Zoubida

Directeur de mémoire : Mr Ouari Ahmed Prof. Université Badji Mokhtar-Annaba

Devant le jury composé par :

Président : Mr Mihoub Med Larbi M.C (A) Université Badji Mokhtar-Annaba

Examinateur : Mr Bouchikha Hocine M.C (B) Université Badji Mokhtar-Annaba

Intitulé

Etude et modélisation d’une chaîne de conversion éolienne à base de MADA

connectée au réseau

i

Résumé

La production d’électricité a connu une forte croissance dans la dernière décennie. Cela

s’est traduit par le développement des systèmes de conversion de l’énergie éolienne

(SCEE) aux niveaux de la modélisation et de la commande électrique. Les SCEE modernes

fonctionnent à des vitesses de vent variables et sont dotés de générateur synchrones ou

asynchrones, parmi ces générateurs on cite le générateur asynchrone à double

alimentation (MADA) qui offre plusieurs avantages et des capacités de puissances actives

et réactives à quatre quadrants. Ce SCEE à base de MADA entraine également des couts de

conversion de puissance faibles et des pertes d’énergie minimes par rapport { un SCEE

basé sur un générateur synchrone entièrement alimenté par des convertisseurs de

puissance à plaine échelle. La connexion d’un tel le système au réseau de distribution

électrique implique un fonctionnement bidirectionnel des réseaux. Cela se manifeste

clairement dans les modes de fonctionnement en hypo et hyper synchrone de la MADA. Le

réseau électrique fournit la puissance active au rotor de la MADA en fonctionnement hypo

synchrone et reçoit de la puissance active du rotor en fonctionnement hyper synchrone

de la MADA. La qualité d’énergie est ainsi d’une importance majeur lors de l’intégration

de l’éolienne au réseau électrique. Une mauvaise qualité de l’électricité peut nuire { la

stabilité du réseau et pourrait même engendrer des problèmes et des conséquences à

risques, ceci est encore plus critique dans les cas ou des charges non linéaires, telles que

les alimentations ou découpage et les entrainements à vitesses variables sont connectés

au réseau, notre idée est de mitiger les problèmes liés { la qualité d’onde tout en assurant

une meilleure opération de la MADA, de telle sorte que l’ensemble de SCEE reste

insensible aux perturbations extérieures et aux variations paramétriques. Pour cela, le

convertisseur du coté réseau électrique (CCG) doit être en mesure de compenser les

harmoniques, le déséquilibre de courant et la puissance réactive injectés par une charge

triphasé non linéaire déséquilibrée connectée au réseau électrique au point de couplage

commun (PPC) le CCG est considéré ainsi comme étant une solution simple efficace et de

cout compétitif en épargnant l’utilisation d’autres équipements de puissance. En même

temps le rendement énergétique de la chaine de conversion éolienne doit être amélioré

en faisant extraire le maximal power point tracking (MPPT), la recherche permet de

ii

sélectionner la commande vectorielle et la commande dans le référentielle synchrone d-q

pour y arriver à ces objectifs. L’ensemble de SCEE { base de MADA est simulé dans Matlab

Simulink en présence d’une charge non linéaire triphasée équilibrée puis déséquilibrée.

Mots clés : éolien MADA SCEE hypo synchrone hyper synchrone MPPT réseau électrique

qualité d’énergie CCG commande vectorielle référentiel synchrone fonctionnement

bidirectionnel Matlab Simulink charge linéaire

iii

Je dédie ce modeste travail

A la mémoire de mes chers parents Ahmed et Bahdja.

A ma femme.

A mes enfants Alla, Lyna et Tasnime.

A tous mes sœurs et mes frères et leurs enfants.

A tous ceux qui me sont chers.

Kherouf Mohamed

Dédicaces

iv

Je dédie ce modeste travail

A mes chers parents qui n’ont jamais cessé de prier pour moi, que dieu les

protège.

A mes chers Atika et Amor, qui m’ont beaucoup Soutenu durant mon cursus d’étude.

A mes plus chers Aissam, Nibel, Farah, Taquoi

et Taha.

A tous mes sœurs et mes frères.

A tous les membres de ma famille.

Kherici Zoubida

Dédicaces

v

REMERCIEMENTS

Au terme de ce projet, je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur

Ouari Ahmed, mon directeur de mémoire, pour ses conseils précieux,

le support qu’il m’a fourni, son encadrement et sa disponibilité

durant toute la période de réalisation de ce projet.

Et puisque l’on n’avance pas seul, mes remerciements à Mme

Tounsi Sihem, Mme Kherici Zoubida et particulièrement à Mr

Nçaibia Salah pour leurs collaborations et leurs précieuses aides.

A Mr Maziz Sid Ali et à Mr Bougherira Ahmed pour leurs soutiens.

Enfin, je tiens à remercier les membres de jury d’avoir accepté

d’évaluer ce mémoire.

Kherouf Mohamed

vi

REMERCIEMENTS

Au terme de ce projet, je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur

Ouari Ahmed, mon directeur de mémoire, pour ses conseils précieux,

le support qu’il m’a fourni, son encadrement et sa disponibilité

durant toute la période de réalisation de ce projet.

Et puisque l’on n’avance pas seul, mes remerciements à Mr

Kherouf mohamed, Mme Tounsi sihem et particulièrement à Mr

Nçaibia Salah pour leurs collaborations et leurs précieuses aides.

Je tiens à remercier Aissam qui m’a donné le courage et la volonté

toute cette année d’étude.

Enfin, je tiens à remercier les membres de jury d’avoir accepté

d’évaluer ce mémoire.

Kherici Zoubida

vii

Liste des figures

Introduction générale

Fig. 1 : Production d’électricité d’origine renouvelable des pays phares au cours de

l’année 2014…………………………………..………………………………………………………...……..……….…..2

Fig. 2 : Évolution de la production mondiale d’électricité d’origine renouvelable en MW…3

Fig. 3 : Evolution de la production mondiale d’électricité { partir des énergies

renouvelables …………………………………………………………………………………………………….…...….. 3

Fig. 4 : Évolution des énergies renouvelables par type d’énergies dans les différents

secteurs entre 2005 et 2021 ……………………………………………………………………………..….….….. 3

Fig. 5 : Perspective sur le programme des énergies renouvelables algérien 2015-2030

………………………………………………………………………………………………………………………...………….5

Chapitre I

Fig. I.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent……………………………………………………..….7

Fig. I.2 : Principaux organes du système de conversion éolien …………….………………....…….. 7

Fig. I.3 : Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur……………………….…………………..….. 8

Fig. I.4 : Variation des puissances en fonction des diamètres des éoliennes……………….…..10

Fig. I.5 : Différentes parties de l’éolienne-NORDEX N60-1.3MW………………………………...…11

Fig. I.6 : Technologie éolienne à axe vertical ………………………………………………………..….…..13

Fig. I.7 : technologie éolienne { axe horizontale…………………………………………………….……..15

Fig. I.8 : Les régions les plus ventées du monde …………………………………………….…………….15

Fig. I.9 : les régions les plus ventées en Algérie…………………………………………………..….…….16

Fig. I.10 : Les vitesses moyennes des sites les plus ventés en Algérie...……..……………....…..16

Fig. I.11 : les vitesses moyennes de vent en fonction de la hauteur…………………….….….….16

viii

Fig. I.12 : Tube de courant autour d'une éolienne……………………………………………….............17

Fig. I.13 : Cp en fonction de λ pour différentes turbines……………………………………................20

Fig. I.14 : Efforts sur un élément d’une pale………………………………………………..…..…………...21

Fig. I.15 : Evolution des coefficients de portance CL et de trainée CD……………....……………22

Fig. I.16 : Régulation de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent…………….23

Fig. I.17 : Limitation de puissance éolienne……………………………………………………..…………..24

Fig. I.18 : schémas d’une éolienne fonctionnant { vitesse fixe……………………..……..…………24

Fig. I.19 : Courbe du Coefficient de puissance Cp (Coe f f i c i e n t de vi t e sse λ ) …… …. 2 6

Fig. I.20 : Puissance théorique disponible pour un type d'éolienne donné…………………….27

Fig. I.21 : Schéma simplifié de la turbine éolienne……………………………………….………………28

Chapitre II

Fig. II.1 : Schéma de connexion au réseau de l'éolienne avec MAS à cage d'écureuil………32

Fig. II.2 : Schéma de la connexion au réseau de l'éolienne avec la MAS à double stator… 33

Fig. II.3 : Structure du stator et des contacts rotoriques de la machine asynchrone……….34

Fig. II.4 : Schéma de principe d’une MADA { rotor bobiné pilotée par le rotor…….………...35

Fig. II.5 : Machine asynchrone brushless connectée au réseau….………………………………… 36

Fig. II.6 : MADA « Rotor bobiné» - structure Kramer……………………………………...…………….36

Fig. II-7 : MADA { contrôle du glissement par l'énergie dissipée…………………………………..37

Fig. II.8 : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur…………………………...….…………….37

Fig. II.9 : Structure de Scherbius avec convertisseurs MLI …………………………….……………..38

Fig. II.10 : Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone……………………………………...39

Fig. II.11 : Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone…………………………………….39

Fig. II.12 : Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone…………………….…………..40

ix

Fig. II.13 : Fonctionnement en mode générateur hyper synchrone…………………...…………..40

Fig. II.14 : Repérage angulaire des systèmes d’axes dans l’espace électrique………………...43

Fig. II.15 : Représentation des enroulements de la machine de Park ….…….……..……………45

Fig. II.16 : Représentation du redresseur triphasé { diode …………………………………………..46

Fig. II.17 : Schéma équivalent d’une séquence en conduction normale……………….………...47

Fig. II.18 : Tensions de phase et tension redressée ……………………………………..…...................48

Fig. II.19 : Schéma électrique du bus continu …………………………………………..………………….48

Fig. II.20 : Effet de la capacité de filtrage sur la tension de sortie ………………………...............49

Fig. II.21 : Représentation de l’onduleur de tension ……………………………………..……………..49

Fig. II.22 : Principe de commande en MLI sinus-triangulaire ………………………….……………52

Chapitre III

Fig. III.1 : Orientation du flux statorique ………………………….…………………….…….……………..57

Fig. III.2 : Schéma bloc de la structure de commande par orientation du flux statorique de

la MADA alimentée en tension ……………………….…………………………….……………………………..60

Fig. III.3 : Schéma bloc du correcteur PI avec compensation de la constante de temps…..60

Chapitre IV Simulation

Fig. VI 1 : Système éolien simulé par Matlab……………….….……………………………………………63

Fig. VI 2 : Courants statoriques avec zoom…………………………..………………………………………65

Fig. VI 3 : Tensions statoriques avec zoom………………………..…………………………………………65

Fig. VI 4 : Courants rotoriques avec zoom…………………………………..……………………………….66

Fig. VI 5 : Tensions rotoriques avec zoom……………………………………………….…………………..66

Fig. VI 6 : Puissance active statorique avec zoom…………………………………….…………………..66

x

Fig. VI 7 : Puissance réactive statorique avec zoom……………………………………………………...67

Fig.VI 8 : Couple avec zoom………………………………………………………..……………………………….67

Fig. VI 9 : Courant statorique avec zoom .................................................................................................68

Fig. VI 10 : Tension statorique avec zoom ………………………………………….…….…………………68

Fig. VI 11 : Courant rotorique avec zoom …………………………..……………..…………………………69

Fig. VI 12 : Tension rotorique avec zoom ………………………………….…………….…………………..69

Fig. VI 13 : Puissance active statorique avec zoom…………….…………………………………………69

Fig. VI 14 : Puissance réactive statorique avec zoom……………………………………………………70

Fig. VI 15 : Couple électromagnétique avec zoom………………………………………………………...70

xi

Liste des tableaux

Chapitre I

Le tableau I.1 : Classification des turbines éoliennes ………………………………………………....10

xii

Listes des abréviations et des symboles

MADA : Machine asynchrone à double alimentation.

SCE : Système de Conversion Eolien.

Cp : Coefficient de puissance.

HAWT : Les turbines éoliennes à axe horizontal.

VAWT : Les turbines éoliennes à axe vertical.

MLI : Modulation de largeur d'impulsions.

𝜆 : Vitesse spécifique normalisée

V : Vitesse du vent.

V1 : Vitesse du vent avant les pales de l'éolienne.

V2 : Vitesse du vent après les pales de l'éolienne.

S : Surface des pales.

ρ : Densité du vent.

Pm : Puissance mécanique.

Cp : Coefficient de puissance.

Cpmax : Coefficient de puissance max.

Ec : Energie cinétique du vent.

r : Distance entre l’axe de rotation de la turbine et le tronçon de la pale

(m).

U : Vitesse du vent relatif.

ΩT : Vitesse de rotation de la turbine en rd/s.

Vr : Vitesse réelle du vent.

fD : Trainée force dans le même sens que le vent.

fL : Portance force perpendiculaire à la direction du vent réel.

CD, CL : Coefficient de trainée et coefficient de portance respectivement.

α : Angle d’incidence.

β : Angle d’inclinaison des pales.

VD : Vitesse de démarrage.

Vn : Vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la

puissance nominale.

xiii

VM : Vitesse du vent au-delà de laquelle il convient de déconnecter

l’éolienne.

Ω : Vitesse angulaire de rotation.

G : Gain de multiplicateur.

Jturbine : Moment d’inertie de la turbine.

J : Moment d’inertie total.

Cmec : Couple mécanique.

Cg : Couple issu du multiplicateur.

Cvis : couple électromagnétique des frottements visqueux.

ƒ : Coefficient de frottement.

g : Glissement.

S, r : Indices d’axes correspond au stator et rotor.

A, b, c : Indices correspond aux trois phases a, b, c.

d,q,0 : Système d’axes dans le référentiel de Park.

Vas, Vbs, Vcs : Tensions d’alimentation des phases statoriques.

Var, Vbr, Vcr : Tensions d’alimentations des phases rotoriques.

Ias, Ibs, Ics : Courants statoriques.

Iar, Ibr, Icr : Courants rotoriques.

Φas, Φbs,

Φcs

: flux statoriques.

Φar, Φbr, Φcr : Flux rotoriques.

θ : Angle électrique.

Ls : Matrice des inductances statoriques.

Lr : Matrice des inductances rotoriques.

Rs, ls : Résistance et inductance propre d’une phase statorique.

Rr, lr : Résistance et inductance propre d’une phase rotorique.

[P(𝛳)] : Matrice de transformation de park.

θs, θr : Déphasage du l’axe direct par rapport au stator et rotor.

Ls : Inductance propre d'une phase statorique.

Lr : Inductance propre d'une phase rotorique.

M : Inductance mutuelle entre une phase du stator et une phase du rotor .

p : Nombre de pair de pôles.

xiv

Ce : Couple électromécanique.

Ψ : Déphasage électrique entre la tension et le courant au rotor.

Va,Vb,Vc : Tensions des phases du convertisseur.

Vdc : Tension redressée.

Ia,Ib,Ic : Courants des phases du convertisseur.

Ired : Courant redressé.

Ic : Courant du condensateur.

Vp : Valeur de crête de la porteuse.

Vm : Valeur maximale de la tension de référence.

M : Indice de modulation.

fp : Fréquence de la porteuse.

fm : Fréquence de la modulante.

ωr : Pulsation rotorique.

ωs : Pulsation statorique.

Ps, Qs : Puissances active et réactive statoriques.

Kp : Gain proportionnel du régulateur.

K1 : Gain du régulateur.

Hbo : Fonction de transfert en boucle ouvert.

Hbf : Fonction de transfert en boucle fermée.

xv

Table des Matières

Introduction Générale.................................................................................................................................................. 01

Chapitre 1: Classification et modélisation des turbines

Introduction ....................................................................................................................................................... 06

I.1 Energie éolienne ........................................................................................................................................ 06

I.2 Conversion de l’énergie dans un système éolien .......................................................................... 07

I.3 Principe de fonctionnement d’un système éolien ........................................................................ 08

I.4 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne ........................................................................ 09

I.5 Dimensionnement des éoliennes ....................................................................................................... 09

I.6 Principaux critères de choix d’une éolienne .................................................................................. 10

I.7 Principaux composants d’une éolienne ........................................................................................... 10

I.8 Les différents types d’éoliennes ......................................................................................................... 13

I.8.1 Eolienne à axe vertical (VAWT)............................................................................................ 13

I.8.2 Eoliennes à axe horizontal (HAWT) ................................................................................ 14

I.9 Répartition de la vitesse du vent dans le monde ......................................................................... 15

I.9.1 Carte du gisement éolien dans le monde ....................................................................... 15

I.9.2 Carte du gisement éolien en Algérie ................................................................................. 16

I.9.3 Influence de la hauteur sur la vitesse de l’éolienne ...................................................... 16

I.10 Modélisation de l’éolienne ................................................................................................................... 17

I.10.1 Loi de Betz ................................................................................................................................ 17

I.11 Stratégies de fonctionnement d’une éolienne ........................................................................... 20

I.11.1 Efforts sur une pale ............................................................................................................. 20

I.11.2 Zones de fonctionnement de l’éolienne ....................................................................... 23

I.11.3 Modes d’exploitation de l’énergie éolienne ............................................................... 25

I.11.4 Le multiplicateur .................................................................................................................. 28

I.11.5 Equation dynamique de l’arbre .......................................................................................... 28

Conclusion............................................................................................................................................................ 29

Chapitre II : Commandes et modélisation du générateur asynchrone MADA

Introduction ......................................................................................................................................... 30

II.1. Avantages et inconvénients des différents générateurs ................................................... 30

II.1.1 Machine synchrone ..................................................................................................... 30

xvi

II.1.1.1 machines Synchrone à Rotor Bobiné ................................................................... 30

II.1.1.2 Machine synchrone à aimant permanent ............................................................ 31

II.1.2 Machine asynchrone .................................................................................................. 31

II.1.2.1 Machine asynchrone à cage ......................................................................................... 32

II.1.2.2 Machine asynchrone à double stator .................................................................................. 33

II.1.2.3 Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) .................................... 34

II.2 Application des MADA ................................................................................................................ 34

II.2.1 Principe de fonctionnement de la MADA en génératrice à vitesse variable .. 35

II.2.1.1 MADA Type "Brushless" ......................................................................................... 35

II.2.1.2 MADA à rotor bobiné» ou à bagues et ses trois structures ............................. 36

II.3 Modes de fonctionnement de la MADA .................................................................................. 38

II.3.1 Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone ............................................ 39

II.3.2 Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone .......................................... 39

II.3.3 Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone ..................................... 40

II.3.4 Fonctionnement en mode générateur hyper synchrone ................................... 40

II.4 Avantages et inconvénients de la MADA ............................................................................... 41

II .5 Modélisation Mathématique de la Génératrice Asynchrone ............................................. 41

II.5.1 Hypothèses simplificatrices ..................................................................................... 41

II.5.2 : Modèle de la Génératrice Asynchrone dans le repère trois axes (a.b.c) ...... 42

II.5.3 Modèle de la Génératrice Asynchrone dans le Repère de Park (d q) ............... 43

II.5.3.1 Transformation de Park .......................................................................................... 43

II.5.3.2 Équations du flux en coordonnées de Park ........................................................ 45

II.5.3.3 Équation de la tension dans le référentiel de Park .......................................... 46

II.5.3.4 Expression de couple .............................................................................................. 46

II.6 Modélisation des éléments de connexion avec la charge ................................................... 46

II.6.1 Modélisation du redresseur triphasé à diode ...................................................... 46

II.6.2 Modélisation du bus continu .................................................................................... 48

II.6.3 Modélisation de l’onduleur (MLI) .......................................................................... 49

II.6.4 Principe de la Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) ................................. 51

Conclusion ............................................................................................................................................ 53

Chapitre III Stratège de commande des puissances active et réactive d’une MADA

Introduction ......................................................................................................................................... 55

xvii

III.1 Stratégie de la commande de la puissance active et réactive d’une MADA ................... 56

III.1.1 Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique ................................... 56

III.1.2 Choix du référentiel pour le modèle diphasé ............................................... 56

III.1.3 Synthèse du correcteur PI ........................................................................................ 60

III.2 Principe de la commande vectorielle ............................................................................... 62

III.2.1 Commande directe .................................................................................................... 62

III.2.2 Méthode indirecte ..................................................................................................... 63

Conclusion ............................................................................................................................................ 63

Chapitre VI Simulation

Système éolien simulé par Matlab Simulink ................................................................................. 64

1er cas de simulation : Fonctionnement avec vitesse de synchronisme ................................. 65

2ième cas de simulation : Fonctionnement en situation perturbée ........................................... 68

Conclusion ............................................................................................................................................ 70

Conclusion générale et perspective ................................................................................................ 71

Annexes

Annexe 01 : Paramètres de la turbine ............................................................................................................ 73

Annexe 02 : Paramètres du générateur ........................................................................................................... 74

Annexe 03 : Calcul du coefficient de puissance .......................................................................................... 74

Annexe 04 : Modelé du bloc de la turbine ....................................................................................................... 75

Annexe 05 : Modelé éclaté de la turbine .......................................................................................................... 75

Annexe 06 : Schéma de la MADA sur Matlab-Simulink ............................................................................ 76

Références Bibliographiques ........................................................................................................................... 77

INTRODUCTION GENERALE


1

L’énergie est l’un des moteurs de développement des nations et des sociétés. La

civilisation industrielle s’est bâtie autour de l’exploitation du charbon { la fin du 18e

siècle, puis surl’intérêt des réserves pétrolières au milieu du 20e siècle, et depuis la

consommation énergétique mondiale est en très forte croissance dans toutes les régions

du monde.

Face à une demande croissante d’énergie et { l’épuisement plus ou moins à long terme en

particulier les énergies fossiles. La crisepétrolière de 1973 a accéléré la décision de

certains pays à mener une politique orientée vers le nucléaire, malheureusement, les

déchets nucléaires ont posé d’autres problèmes en termes de pollution radioactifs ainsi

que le démantèlement des vieilles centrales nucléaires a accentué le risque industriel.

Sachant que les sources d’énergie fossiles contribuent { un changement global du climat,

favorisent la constitution des pluies acides et la pollution de notre planète. La

concentration de CO2 a augmenté de 25% depuis l’ère préindustrielle et elle doublera au

environ 2050. Depuis 1900 et à ce jour la concentration de CO2a provoqué une

augmentation de la température de 0,3 à 0,6°, les scientifiques prévoient une

augmentation de la température moyenne de 1 { 3,5°C d’ici à l’année 2100, ce qui

augmentera le taux de réchauffement de la planète, dont les conséquences peuvent

provoquer une augmentation du niveau de la mer de 15 à 95 cm d’ici à l’année 2100 .

Pour subvenir aux besoins en énergie de la société actuelle et future, il été nécessaire de

trouver des solutions adaptées et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement

deux façons possibles d’agir, la première est de diminuer la consommation des

récepteurs d’énergie et d’augmenter la productivité des centrales en améliorant leur

efficacité et en optimisant leurs fonctionnements, une deuxième consiste à trouver et à

développer de nouvelles sources d’énergie.

Les énergies renouvelables fournies par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes

d’eau, les marées ou encore la croissance des végétaux, qui n’engendrent pas ou peu de

déchets ou d’émissions polluantes, participent { la lutte contre l’effet de serre et les rejets

de CO2 dans l’atmosphère, facilitent la gestion raisonnée des ressources locales, génèrent

des emplois. Le solaire (Photovoltaïque et thermique), l’hydroélectricité, l’éolien, la

biomasse, la géothermie sont des énergies à flux inépuisables.


2

Perspectives des énergies renouvelables dans le monde :

Ressources illimitées et disponibles, lesénergies renouvelable représentent une chance

pour plusde deux milliards et demide personnes dans le monde en particulier dans les

pays du tiers monde et les habitants desrégionsisolées,d’accéder { l’électricité.

Cesatouts, alliésà desfilièresde plusenplus performantes, favorisent le développement

des énergies renouvelables et suscitent l’intérêt des grands pays industrialisés

caractérisé par d’importants investissements dans ce domaine figures (Fig. 1, 2, 3 et 4).

Fig. 1: Production d’électricité d’origine renouvelable des pays phares au cours de l’année 2014 [1]


3

Fig. 2 :Évolution de la production mondiale d’électricité d’origine renouvelableen MW [1].

Fig. 3 :Evolution de la production mondiale d’électricité { partir des

énergiesrenouvelables[1].

Fig. 4: Évolution des énergies renouvelables par type d’énergies dans les différents

secteurs entre 2005 et 2021 [1].


4

Perspectives des énergies renouvelables en Algérie :

De sa part sa situation géographique, l’Algérie ne peut que favoriser le développement de

l’utilisation des énergies solaire et éolienne. Ainsi, en Algérie, l’enjeu du développement

des énergies renouvelables ne peut être qu’important. En effet, ces énergies permettront

de couvrir la demande, de plus en plus croissante, des besoins énergétiques de base

nécessaires pour ledéveloppement socio-économique du pays. En février 2015, le

gouvernement Algérien a adopté son programme de développement des énergies

renouvelables pour la période 2015-2030(1).La première phase du programme a

démarré en 2011 et a permis la réalisation des études sur le potentiel national et la

création de projets pilotes. Ce programme a pour objectifs la réalisation à base de

ressources d’énergie renouvelable,plus de 4,5 GW d'ici à 2020 et 22 GW { l’horizon 2030,

dont:

13 575 MWc de solaire photovoltaïque,

5 010 MW d'éolien,

2 000 MW de solaire thermodynamique (CSP),

1 000 MW de biomasse (valorisation des déchets),

400 MW de cogénération,

15 MW de géothermie.

Fig. 5 : Perspective sur le programme des énergies renouvelables algérien 2015-2030 [1]

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire_photovolta%C3%AFquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_%C3%A9oliennehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Solaire_thermodynamiquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Biomasse_%28%C3%A9nergie%29https://fr.wikipedia.org/wiki/Cog%C3%A9n%C3%A9rationhttps://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9othermie


5

Dans ce cadre, le présent mémoire décrit une étude sur l'utilisation des machines de

type asynchrone MADA dans un système éolien.

Le premier chapitre estconsacré à l’énergie éolienne et en particulier l’étude des systèmes

éoliens à travers les concepts physiques régissant leur fonctionnement, les différentes

technologies qui sont utilisées pour capter l'énergie du vent (Capteur à axe vertical ou à

axe horizontal) ainsi que leur dimensionnement et en fin la modélisation du système

éolien à travers la modélisation du vent qui est la source de l’énergie éolienne et la

modélisation de la turbine éolienne sur laquelle se base notre étude ce qui nous

permettra d’identifier le profil du vent qui sera utilisé dans le reste de notre présent

travail.

Dans le deuxième chapitre, nous allons citer les différents générateurs et machines

associés au système éolien ainsi que leurscommandes appropriés et leurs modélisations.

Dans le troisième chapitre, nous évoquerons les stratégies de commande et on signalera

la stratégie qui permet un transfert optimal de puissance en l’occurrence,l’utilisation de la

commande vectorielle direct avec orientation du flux statorique, en fin de ce mémoire,

nous allons étudier l’apparence simulée de notre système éolien étudié.

CHAPITRE I

ETAT DE L’ART DU SYSTEME EOLIEN

Chapitre I Etat de l’art d’un système éolien

6

Introduction

Pendant des siècles, les éoliennes ont été utilisées pour fournir un travail mécanique.

L'exemple le plus connu est le moulin à vent. En 1888, Charles F. Brush construisait une

petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batteries. La

première éolienne industrielle couplée à un générateur d'électricité a été développée par le

danois Poul La Cour en 1890, pour l a p r o d u c t i o n d e l'hydrogène par électrolyse.

Quelques années plus tard, il créa l'éolienne Lykkegard, dont 72 exemplaires étaient en

production en 1908.

En raison de la nature fluctuante du vent, l’éolienne ne peut être considérée que comme une

source d’énergie complémentaire ou d’appoint à celles dites classiques.

Actuellement, plusieurs pays se sont résolument engagés dans l’utilisation de l'énergie

éolienne pour la production de l’énergie électrique. En Algérie, le régime de vent étant

modéré (2 à 6 m/s), ce potentiel énergétique convient parfaitement pour le pompage de

l’eau et l’alimentation en électricité des petits regroupements domestiques, particulièrement

dans les Hauts Plateaux [5].

Dans ce chapitre on va aborder, d’une manière générale, les différents types d’éoliennes et

les éléments composants une chaine de conversion d’énergie éolienne et leurs modélisations.

I.1 Energie éolienne

Depuis l'utilisation du moulin à vent, la technologie des capteurs éoliens n'a cessé d'évoluer.

C'est au début des années quarante que de vrais prototypes d'éoliennes à pales profilées ont

été utilisées avec succès. Actuellement, plusieurs technologies sont utilisées pour capter

l'énergie du vent (Capteurs à axe vertical ou à axe horizontal). Les structures des capteurs

sont de plus en plus performantes. Outre les caractéristiques mécaniques de l'éolienne,

l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique est très importante.

Ils existent de nombreux dispositifs, qui pour la plupart, sont à base de machines synchrones

ou asynchrones. Les stratégies de commande de ces machines et leurs éventuelles interfaces

de connexion au réseau doivent permettre de capter un maximum d’énergie sur une plage de

variation de vitesse du vent la plus large possible dans le but d'améliorer la rentabilité des

installations éoliennes.


7

I.2 Conversion de l’énergie dans un système éolien

Un aérogénérateur (Eolienne), est un dispositif qui transforme une partie de l'énergie

cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis

transformée en énergie électrique par l'intermédiaire d'un générateur comme il est indiqué

sur la figure (Fig. I.1).

Fig. I.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent

La production de l’énergie éolienne { travers l’aérogénérateur est basée sur le principe des

moulins à vent. Le vent fait tourner les pales qui sont elles-mêmes couplées au rotor d’un

générateur. Lorsque le vent est suffisamment fort, environs 3m/s, les pales tournent et

entraînent à travers un multiplicateur un générateur qui transforme l’énergie mécanique en

énergie électrique. Aujourd’hui, l’énergie éolienne est une énergie propre et renouvelable, ce

qui explique l’engouement fort pour cette nouvelle technologie. Les recherches en cours

pourraient lui laisser encore, pendant de nombreuses années, cette confortable avancée.

Le Système de Conversion Eolien (SCE) est constitué d’un générateur électrique, entrainé par

une turbine éolienne à travers le multiplicateur, d’un système de commande, d’un

convertisseur statique, d’un transformateur et d’un réseau électrique voir figure (Fig. I.2).

Fig. I.2 : Principaux organes du système de conversion éolien [6].


8

L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée, géographiquement diffusée.

En corrélation saisonnière, l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver, c’est {

cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée. Elle est toutefois

aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des

pales de grandes dimensions qui dépassent les 60 m de diamètre pour les éoliennes de

plusieurs mégawatts, dans des zones géographiquement dégagées pour éviter les

phénomènes de turbulences, voir figure (Fig. I.3).

Fig. I.3 : Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur

I.3 Principe de fonctionnement d’un système éolien :

Le vent faisant tourner les pales de l'éolienne entraine le générateur à travers des arbres et

un multiplicateur. L'énergie mécanique ainsi produite va être transformée par ce générateur

en énergie électrique. L'électricité obtenue est dirigée vers le réseau électrique ou vers des

batteries de stockage. La vitesse de rotation des pales varie entre 15 et 30 tr/min, le

générateur peut alors tourner à une vitesse variant entre 1000 et 2000 tours tr/min. Les

pales de l'éolienne font tourner un arbre primaire qui est lié directement à un multiplicateur

à travers un grand pignon avec un nombre bien définit de dents qui fait tourner à son tour,

un ensemble de pignons de différents dimensions à axes parallèles entrainés entres eux,

donnant { la sortie une vitesse supérieure qu’{ l’entrée du multiplicateur. Le rapport de

multiplication de la vitesse est déterminé par le rapport du nombre de dents du pignon

d’entrée sur le nombre de dents du pignon de sortie. Ce dernier pignon entraine l’arbre

secondaire qui est lié au générateur. Pour obtenir un rendement optimal, la vitesse du

vent doit être d'environ 14 m/s. Au delà de 25 m/s, les éoliennes deviennent instables et le

vent peut endommager les mécanismes du système éolien.


9

1.4 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne :

Avantages :

L’énergie éolienne est une énergie renouvelable qui respecte l’environnement.

De nos jours, l’exploitation de l’énergie éolienne a contribué { la diminution d’environ 6,3

millions de tonnes de CO2, 21 mille tonnes de SO2 et 17,5 mille tonnes de NO2. Ces

émissions sont les principaux responsables à la constitution des pluies acides [7].

L’énergie éolienne n’est pas non plus une énergie { risque et ne produit pas de déchets

radioactifs.

C’est une source d’énergie qui peut être exploité pour répondre aux besoins en électricité

{ une population d’une région isolée.

Ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà.

Inconvénients :

L’implantation des éoliennes provoque une pollution visuelle de la région.

Le risque sonore (Le bruit mécanique des composantes en rotation de l’éolienne) bien

que nettement diminué grâce aux progrès réalisés au niveau du multiplicateur.

L’impact à risque sur la vie des oiseaux en particulier les oiseaux migrateurs.

La discontinuité de la production et de la disponibilité de la puissance électrique et la

mise en cause de sa qualité.

Les coûts élevés comparés à ceux des sources d’énergie classiques (Fossiles).

I.5 Dimensionnement des éoliennes :

Afin d'obtenir le meilleur rendement possible, l'implantation des éoliennes doit tenir

compte de deux paramètres importants, de la vitesse moyenne du vent et de sa direction. Les

puissances des éoliennes varient suivant leurs tailles. Actuellement, il existe des petites

éoliennes permettant de générer quelques centaines de Watt et d’autres plus grandes qui

peuvent produire des puissances très importantes dépassant les 10 MW.

Echelle Diametre de l’élice Puissance délivrée

Petite éolienne Moins de 15 m Moins de 50 kW

Moyenne éolienne 15 m à 50 m De 50 kW à 600 kW

Grande éolienne 50 m et plus 1 MW et plus

Le tableau I.1 Classification des turbines éoliennes [8].


10

Fig. I.4 : Variation des puissances en fonction des diamètres des éoliennes [9].

I.6 Principaux critères de choix d’une éolienne :

Le choix et l’installation des éoliennes doivent répondre aux besoins spécifiques de la

population.

Les paramètres économiques sont très importants pour le choix des éoliennes. Une éolienne

de grande puissance produit normalement de l'électricité à un moindre coût qu'une petite

éolienne de faible puissance. Par contre les coûts d’investissements et d'entretien sont dans

une large mesure indépendants de la taille.

Dans les zones, où il est difficile d’installer plus qu'une éolienne, une grande éolienne est

plus commode à utiliser pour obtenir un maximum de puissance.

Le choix de l’utilisation de plusieurs éoliennes de moindres puissances, assure la continuité

de l’alimentation en énergie électrique en cas de défaillance temporaire d'une éolienne.

Des considérations d’ordre esthétique du paysage peuvent parfois dicter le choix de

l’utilisation de petites éoliennes.

I.7 Principaux composants d’une éolienne :

Il existe plusieurs configurations possibles d’aérogénérateurs, voir figure (Fig. I.5).

Une éolienne est constituée d’une tour (17) qui supporte la nacelle (3) et le moyeu de la

turbine (2) sur lequel sont fixées les pales (1). La nacelle supporte partiellement le

générateur (9) et son système de refroidissement (10), le multiplicateur de vitesse (6) et les

différents équipements électroniques de contrôle (12) permettent de commander les

différents mécanismes d’orientation (13), (14), (15) ainsi que le fonctionnement global

assisté de l’éolienne. Le multiplicateur de vitesse comporte un arbre lent (5) muni d’un

palier à billes, et un arbre à grande vitesse, il est équipé d’un frein mécanique { disque (7) et

un accouplement flexible (8) avec le générateur (9), le tout est protégé par un capot en acier

(16). Un anémomètre et une girouette (11) situés sur le toit de la nacelle fournissent les

données nécessaires au système de contrôle pour orienter l’éolienne et la déclencher ou

l’arrêter selon la vitesse du vent.


11

Fig. I.5 : Différentes parties de l’éolienne-NORDEX N60-1.3MW.


12

Les pales :

Elles sont directement exposées au vent ce qui provoque leur rotation.

Le rotor :

C’est la partie tournante dans une éolienne. Il capte et transforme l’énergie cinétique du vent

en énergie mécanique. Il est constitué l’ensemble pales et arbre primaire, la liaison entre ces

deux éléments étant assurée par le moyeu.

La nacelle :

Son rôle est d’abriter l’installation de génération de l’énergie électrique ainsi que ses

périphériques, différentes configurations peuvent être rencontrées suivant le type de la

machine. Elle est constituée des composantes suivantes :

Le multiplicateur de vitesse :

Il sert à augmenter la vitesse de rotation entre l’arbre primaire mu par le vent, et l’arbre

secondaire entrainant le générateur électrique, en effet, la faible vitesse de rotation de

l’éolienne ne permettrait pas au générateur de générer du courant électrique dans de bonnes

conditions.

L’arbre secondaire :

Comporte généralement un frein mécanique qui permet d’immobiliser le rotor au cours des

opérations de maintenance et d’éviter l’emballement de la machine.

Le générateur :

C’est la machine constituée d’un stator et d’un rotor tournant qui convertit l’énergie

mécanique en énergie électrique.

Le contrôleur électronique :

Son rôle est de surveiller le fonctionnement de l’éolienne. Il s’agit en fait d’un ordinateur qui

peut gérer le démarrage de la machine lorsque la vitesse du vent est suffisante pour son

fonctionnement, gérer le pas des pales, le freinage de la machine, l’orientation de l’ensemble

du rotor et nacelle face au vent de manière { maximiser la récupération d’énergie. Pour mener

à bien ces différentes tâches, le contrôleur utilise les données fournies par un anémomètre,

habituellement situé { l’arrière de la nacelle, il assure également la gestion des différentes

pannes qui peuvent survenir.


13

Divers dispositifs de refroidissement :

Le refroidissement des composants situés { l’intérieur de la nacelle est assuré par des

ventilateurs ou bien par des radiateurs d’eau ou d’huile.

Le dispositif d’orientation de la nacelle :

Il permet la rotation de la nacelle autour de l’axe vertical. L’orientation est généralement

assurée par des moteurs électriques. De nombreuses éoliennes comportent un système de

blocage mécanique de la position de la nacelle suivant une orientation donnée, cela permet

d’éviter de solliciter constamment les moteurs et permet aussi de bloquer l’éolienne durant

les opérations de maintenance et d’éviter de tordre inconsidérément le câble acheminant

l’énergie électrique provenant de la génératrice jusqu’au pied de la tour. Le dispositif

d’orientation comprend un compteur de tour de la nacelle.

I.8 Les différents types d’éoliennes :

Il existe deux grandes catégories d’éoliennes selon la disposition géométrique de l’arbre sur

lequel est montée l’hélice :

Les turbines éoliennes à axe horizontal (HAWT).

Les turbines éoliennes à axe vertical (VAWT).

I.8.1 Eolienne à axe vertical (VAWT) :

Ce sont les premières éoliennes développées pour produire de l’électricité. De nombreuses

variantes de technologies différentes ont été testées, seulement deux structures sont

parvenues au stade de l’industrialisation, le rotor de Savonius et le rotor de Darrieux [10].

Fig. I.6 : Technologie éolienne à axe vertical.


14

Avantages [6] [10]:

• Sa conception est simple, robuste et nécessite peu d’entretien.

• Son axe vertical possède une symétrie permettant de fonctionner quelques soit la direction

du vent sans avoir la nécessité d’orienter le rotor (Inexistence de dispositif d’orientation).

• Le multiplicateur, le générateur et les appareils de commande sont directement installés et

groupés dans la nacelle.

• A vitesses lentes (Faible bruit, limitation des risques de casses dus aux contraintes

mécaniques ou électriques trop importantes)

Inconvénients :

• Faible rendement aérodynamique.

• Grande sensibilité du coefficient de puissance « CP » à la vitesse.

• La conception verticale de ce type d’éolienne impose un fonctionnement avec un vent

proche du sol donc moins fort (Freiné par le relief).

• Leur implantation au sol exige l’utilisation des tirants qui doivent passer au-dessus des pales

ce qui les laisse occuper une surface plus importante que l’éolienne { tour.

Cependant, les structures à axe vertical son encore utilisées pour la production d’électricité

dans les zones isolées. Pour des puissances faibles, elles sont destinées à des utilisations

permanentes comme la charge des batteries [10].

I.8.2 Eoliennes à axe horizontal (HAWT) :

Actuellement, ces éoliennes sont les plus répandues. Elles comportent généralement des

hélices à deux ou trois pales face ou derrière le vent [10] [11].

Avantages :

• Une très faible emprise au sol par rapport aux éoliennes { axe vertical.

• La composition structurale laisse à capter le vent en hauteur qui est un vent plus fort et plus

régulier qu’au voisinage du sol.

• Le générateur et les appareils de commande sont installés dans la nacelle au sommet de la

tour, il n’est pas nécessaire de rajouter un local pour l’appareillage.


15

Inconvénients :

• Coût de construction très élevé.

• L’appareillage se trouve au sommet de la tour ce qui gêne l’intervention en cas d’incident.

Fig. I.7 : technologie éolienne à axe horizontale

Actuellement et malgré les inconvénients cités ci-dessus, cette structure est la plus

utilisée.

Il serait intéressant d’étudier une chaine éolienne { axe horizontal, à trois pales et à pas

variable (Variable pitch) [10], avec des vitesses de vent qui peuvent atteindre les 7 m/s à une

hauteur de 50 m du sol.

I.9 Répartition de la vitesse du vent dans le monde :

I.9.1 Carte du gisement éolien dans le monde :

Fig. I.8 : Les régions les plus ventées du monde [12]


16

I.9.2 Carte du gisement éolien en Algérie

Pour l’implantation d’une éolienne, le choix d’un site est cratérisé par sa vitesse du

vent qui pout fournir l’énergie nécessaire, est primordiale. Il est ainsi nécessaire de

procéder à des mesures de la vitesse du vent sur plusieurs sites. La Figure I.9 montre

un exemple des régions ventées en Algérie d’après les données satellitaires du

laboratoire d’Energie Eolienne du CDER.

Fig. I.9 : les régions les plus ventées en Algérie [13]

Fig. I.10 : Les vitesses moyennes des sites les plus ventés en Algérie [14]

I.9.3 Influence de la hauteur sur la vitesse de l’éolienne :

Le tableau I.2 donne un exemple de l’évolution du vent en fonction de la hauteur

dans une région ventée par un vent orographique (Vent existant au niveau d’une

région indépendamment des effets de rugosité).

Fig. I.11 : les vitesses moyennes de vent en fonction de la hauteur [15]

6,37 6,1 5,22 4,98 4,95 4,58 4,37

0

2

4

6

8

Adrar Tiaret El kaiter In Salah Bejaia Oran Bordj Bouariridj

Vent (m/s)

90 80 70 60 40 30 20 10

6,8 6,5 6,3 6 5,7 5,3 4,9 3,5

0

50

100

150

Vent orographique

Vitesse moyenne estimée (m/s)

Hauteur (m)


17

I.10 Modélisation de l’éolienne :

I.10.1 Loi de Betz :

La totalité de l’énergie cinétique du vent ne peut pas être captée par l’éolienne car la vitesse

du vent en aval du rotor n’est jamais nulle. Une partie de l’énergie cinétique du vent se perd.

Le physicien allemand Betz montra que le maximum d’énergie récupérable par le rotor est

égal à 16/27, soit environ 59 % de l’énergie totale du vent. Cette limite n'a jamais été atteinte

et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance Cp exprimé en fonction

de la vitesse spécifique normalisée λ [16].

La théorie de Betz modélise le passage de l'air avant et après les pales de l'éolienne comme

étant un tube de courant, voir figure (Fig. I.12) avec :

V1 : La vitesse du vent avant les pales de l'éolienne.

V : la vitesse du vent au niveau des pales de l'éolienne, de l'ordre de quelques m/s.

V2 : la vitesse du vent après prélèvement de l'énergie par les pales de l'éolienne

Où les vecteurs V1>V> V2 Sont parallèles à l'axe du rotor.

Fig. I.12 : Tube de courant autour d'une éolienne.

La puissance récupérable du vent s’exprime par :

(

)

On peut retrouver le Cp max en faisant un bilan des puissances, sachant que :

La puissance récupérable sur l'éolienne est due à la variation d'énergie cinétique du

vent exprimée par :


18

L'effort qui s'exerce sur l'éolienne crée une puissance Pm. Le théorème de la quantité de

mouvement donne :

Alors :

Pm : correspond à la puissance absorbée par le rotor, soit la puissance mécanique fournie à

l'aérogénérateur.

On peut déterminer la vitesse V2 pour laquelle la puissance est maximale :

soit :

En simplifiant on aura :

En reportant l’expression de V (I-6) dans l’expression (I-4) :

La puissance est maximale pour V2 telle que :

Ce qui donne :

On résout alors cette équation du second degré, d’inconnue V2 . Obtient deux solutions :l’une

est négative donc impossible et l’autre correspond { :


19

La puissance est maximale pour :

En reportant (I.6) et (I.8) dans l’expression (I.5) la puissance maximale Pmax devient :

(

)

(

)

On déduit le coefficient de puissance maximal CPmax pour une éolienne :

Le coefficient de puissance représente le ratio entre la puissance du rotor et la puissance

disponible dans le vent

En tenant compte de la limite de Betz, Cmax vaut :

La puissance maximale du rotor sera égale à :

⏟

⏟

En tenant compte de tous les autres rendements d’une éolienne comme celui de la génératrice

ou du réducteur, le rendement global d’une machine se situe autour de 50 % de la limite de

Betz

Pour conclure, dans bien des cas


20

Les courbes de la figure (Fig. I.13) montrent l’évolution du coefficient de puissance Cp pour

des turbines réelles à axe horizontal à 1, 2, 3 et 4 pales, notons que sa valeur reste bien en

dessous de la limite de Betz, qui est égale à 0,59 et dépend pratiquement du profil des pales.

Pour une machine tripale, le coefficient de puissance est maximal pour λ≅7, c’est-à-dire pour

une vitesse périphérique en bout de pale égale { 7 fois la vitesse du vent. C’est pour une telle

vitesse normalisée que le rendement aérodynamique est maximisé. A diamètre et à vitesse de

vent donnés, une bipale devra avoir une vitesse de rotation plus élevée qu’une tripale. Sur le

plan aérodynamique, on peut comparer les différents types de turbines en comparant leurs

coefficients aérodynamiques de puissance ou de couple en fonction de la vitesse normalisée λ.

Fig. I.13 : Cp en fonction de λ pour différentes turbines [17]

D’après la figure (Fig. I.13) les courbes donnant le coefficient de couple dans les

systèmes { axe vertical indiquent qu’il évolue de manière identique.

Ces courbes Cp (λ) montrent clairement l’avantage des axes horizontaux en termes de

puissance, même si ce jugement est { nuancer lorsqu’on observe l’énergie restituée, en

particulier en sites peu ventés (Zones urbaines,…).

Les courbes Cp (λ) sont plus plates pour les axes horizontaux { faible nombre de pales

(3, 2 ou 1 pale) par rapport aux axes verticaux ou aux multipales.

I.11 Stratégies de fonctionnement d’une éolienne :

I.11.1 Efforts sur une pale :

La Fig. I.14 illustre une coupe transversale d’une pale, vue du bout de la pale, qui se déplace

dans un vent incident de vitesse V. Du fait de la rotation, la pale est soumise en plus du vent

incident de vitesse V, à un vent relatif dirigé dans le sens contraire de rotation de la turbine.


21

La vitesse de ce vent relatif est donnée par :

Où : r est la distance entre l’axe de rotation de la turbine et le tronçon de la pale en m

ΩT est la vitesse de rotation de la turbine en rd/s.

La composition de vitesses de ces deux vents, incident V et relatif U donne la vitesse du vent

réel Vr au quel est soumise la pale.

Fig. I.14 : Efforts sur un élément d’une pale [18]

L’écoulement d’air crée une différence de pression en dessus et en dessous de la pale ce qui

créent en conséquence deux forces, l’une perpendiculaire { la direction du vent réel

appelée la portance fr et l’autre dans le même sens que Vᵣ appelée la trainée fD. Ces deux

forces sont généralement exprimées en fonction du coefficient de portance Cι et du coefficient

de trainée Cd, [19] [20] :

ρ : Densité de l’air.

S: Surface balayée par les pales.

CD (𝞪), CL (𝞪): Coefficient de trainée et coefficient de portance respectivement.

La résultante de ces deux forces peut être décomposée en une composante axiale et une autre

tangentielle.


22

La composante axiale par unité de longueur est donnée par :

Cette force doit être supportée par le rotor, la tour et les fondations d’une part et d'une autre

part, la force tangentielle développe un couple de rotation qui produit le travail utile. Ce

couple par unité de longueur est donné par :

Seule la portance contribue à la génération du couple utile, la trainée crée plutôt un couple

dans le sens inverse. Par conséquent, un rapport élevé entre la portance et la trainée Cι/Cd est

fortement conseillé pour avoir un bon rendement de la turbine [19].

Ces coefficients Cι et Cd dépendent fortement de l’angle d’incidence α voir figure (Fig. I.15).

Pour des angles α faibles, l’écoulement de l’air le long de la pale est laminaire et est

plus rapide sur l'extrados que sur l'intrados. La dépression qui en résulte à l'extrados crée la

portance. C’est cette force qui soulève un avion et qui lui permet de voler. Ici, elle « aspire » la

pale vers l’avant. Si α augmente, la portance augmente jusqu’{ un certain point puis

l’écoulement devient turbulent. Du coup, la portance résultante de la dépression sur

l’extrados disparait. Ce phénomène s’appelle le décrochage aérodynamique [21].

Cependant, les concepteurs de pales ne se préoccupent pas uniquement de la portance et du

décrochage. Ils prêtent également beaucoup d'attention à la résistance de l'air, appelée aussi

dans le langage technique de l'aérodynamique, la trainée. La trainée augmente, en général, si

la surface exposée à la direction de l'écoulement de l'air augmente. Ce phénomène apparaitra

pour des angles α importants [21].

Fig. I.15 : Evolution des coefficients de portance CL et de trainée CD


23

I.11.2 Zones de fonctionnement de l’éolienne :

Compte tenu des informations précédentes, la courbe de puissance convertie d’une

turbine, généralement fournie par les constructeurs, permet de définir quatre zones de

fonctionnement pour l'éolienne suivant la vitesse du vent :

Fig. I.16 : Régulation de la puissance éolienne en fonction de la vitesse du vent [22)

Suivant les constructeurs VD varie entre 2.5m/s et 4m/s pour les éoliennes de forte puissance.

VD : vitesse de démarrage.

Vn : La vitesse du vent pour laquelle la puissance extraite correspond à la puissance nominale

de la génératrice. Suivant les constructeurs, Vn varie entre 11.5m/s et 15m/s en fonction

de la technologie choisie.

VM : vitesse du vent au-del{ de laquelle il convient de déconnecter l’éolienne pour des raisons

de tenue mécanique en bout de pales. Pour la grande majorité des éoliennes, VM vaut 25m/s.

Zone I : V < VD : La vitesse du vent est trop faible. La turbine peut tourner mais l’énergie

captée est trop faible.

Zone II : VD < V < Vn : Le maximum de puissance est capté dans cette zone pour chaque

vitesse de vent. Différentes méthodes existent pour optimiser l’énergie extraite. Cette zone

correspond au fonctionnement à charge partielle.

Zone III : Vn< V < VM : La puissance disponible devient trop importante. La puissance

extraite est donc limitée, tout en restant le plus proche possible de la puissance nominale de

la turbine (Pn). Cette zone correspond au fonctionnement à pleine charge.


24

Il existe quatre voies principales pour limiter la puissance éolienne dans le cas de fortes

valeurs du vent.

La première est une technique active assez coûteuse et complexe appelée système à pas

variable « pitch » : elle est donc plutôt utilisé sur les systèmes à vitesse variable de moyenne à

fortes puissances (Quelques centaines de kW). Elle consiste à régler mécaniquement la

position angulaire des pales sur leur axe ce qui permet de décaler dynamiquement la courbe

du coefficient de puissance de la voilure.

La seconde technique est passive « Stall ». Elle consiste à concevoir la forme des pales pour

obtenir un décrochage dynamique du flux d’air des pales { fort régime de vent.

Il existe aussi des combinaisons des deux technologies précédemment citées.

La troisième et la quatrième façon de limiter la puissance est la déviation de l’axe du rotor

dans le plan vertical (Basculement de la nacelle) ou une déviation dans le plan horizontal

(Rotation autour de l’axe du mat), ainsi la turbine n’est plus face au vent et la surface active de

l’éolienne diminue [23].

Fig. I.17 : Limitation de puissance éolienne

A) pitch, B) déviation verticale de l’axe de Rotation, C) rotation horizontale de l’axe de

rotation, D) vitesse continûment Variable.

I.11.3 Modes d’exploitation de l’énergie éolienne :

En vue de l’exploitation de l’énergie fournie par le vent, plusieurs systèmes peuvent être

utilisés que nous pouvons les classer en deux catégories :

a) les systèmes à vitesse fixe.

b) les systèmes à vitesses variable.

A B C D


25

a) Les systèmes à vitesse fixe :

Les éoliennes à vitesse fixe sont les premières à avoir été développées. Dans ce cas, la

génératrice est directement couplée au réseau. Sa vitesse mécanique est alors imposée par la

fréquence du réseau et par le nombre de paires de pôles de la génératrice. C’est une

technologie d’une simplicité d’implantation, d’une fiabilité et d’un faible coût. Elle permet une

installation rapide d’une génération éolienne de quelques centaines de kW, pour la mise en

place des projets d’éoliennes, dont les puissances sont supérieures à des puissances à 01 MW,

il est préférence d’utiliser des éoliennes à vitesse variable.

La configuration d’éolienne { vitesse fixe peut être représentée d’une manière simplifiée par

le schéma de la figure (Fig. I.18) La chaine de conversion est composée de la turbine, le

multiplicateur de vitesse et de la génératrice [24].

Fig. I-18 : schémas d’une éolienne fonctionnant à vitesse fixe

b) Les systèmes à vitesses variable :

Les deux structures existantes des éoliennes à vitesse variable sont présentées sur la

Figure I.17. La configuration de la figure II.7.a est basée sur une machine asynchrone à cage,

pilotée au stator d’une manière à fonctionner à vitesse variable, par des convertisseurs

statiques. La configuration de la Figure I .17.b est basée sur une machin asynchrone à double

alimentation et { rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermédiaire des

convertisseurs de puissance, situés dans le circuit rotorique [24].


26

c) Les systèmes éoliens à vitesse fixe et ceux à vitesse variable :

Fonctionnement à vitesse fixe :

Avantages :

• Système électrique simple, robuste et fiable.

• Peu de probabilité d'excitation des fréquences de résonance des éléments de

l'éolienne.

• Système électronique de commande pas nécessaire.

• Moins coûteux (Faibles coûts de construction et de maintenance).

Inconvénients :

Faible rendement de conversion.

Importante fluctuation de la puissance.

Fonctionnement à vitesse variable :

Avantages :

• Fort rendement de conversion énergétique.

• Réduction des oscillations du couple dans le train de puissance.

• Réduction des efforts subis par le train de puissance.

• Génération d'une puissance électrique de meilleure qualité.

Inconvénients :

Pertes et coût supplémentaires dues { l’utilisation des convertisseurs.

Contrôle plus complexe du système.

Les deux types de machine électrique les plus utilisés dans l'industrie éolienne sont les

machines synchrones et les machines asynchrones sous leurs diverses variantes.

Fig. I.19 : Courbe du Coefficient de puissance Cp (Coe f f i c i e n t de vi t e sse λ )


27

La f igure (Fig. I.19) représente le coefficient de puissance Cp. Ce dernier est calculer à partir

de l’équation Cp (λ,β i) ) en fonction du rapport de vitesse λ pour différents angles

d’inclinaison des pales βi . Il est à remarquer que si, pour un angle constant βi,, le maintien du

coefficient de vitesse λ constant pourrait être égal à λoptimal à chaque instant, la puissance

captée par l’éolienne serait alors maximale. La Figure I.19 montre que le λoptimal correspond à

un angle d’inclinaison des pales β i 3 . Cette condition ne peut être vérifiée qu’avec l’utilisation

de la vitesse variable. En effet, afin de maintenir λ = λoptimal, il est nécessaire de faire varier la

vitesse de rotation du générateur en fonction des variations de vitesse du vent (Equation I.3).

Pour un fonctionnement { vitesse de rotation fixe, le coefficient λ varie avec la vitesse du vent :

la puissance captée est maximale seulement pour une vitesse de vent donnée (Généralement la

vitesse de fonctionnement nominal).

Le fonctionnement { vitesse de rotation variable permet d’optimiser l’énergie captée par

l’éolienne mais nécessite la mise en œuvre d’un convertisseur avec sa commande, ce qui

entraîne un surcoût par rapport à la vitesse fixe. La littérature donne un gain de puissance

extraite variant entre 2% et 38%.

En vue de la caractéristique de la Figure I.20, il apparaît clairement que si l’éolienne et par

conséquent la génératrice fonctionne à vitesse fixe, les maximas théoriques des courbes de

puissance ne seront pas exploités.

Fig. I.20 : Puissance théorique disponible pour un type d'éolienne donné.


28

I.11.4 Le multiplicateur :

Fig. I.21 : Schéma simplifié de la turbine éolienne.

Le multiplicateur adapte la vitesse lente de la turbine à la vitesse du générateur Figure

I.21 Ce multiplicateur est modélisé mathématiquement par les équations suivantes :

I.11.5 Equation dynamique de l’arbre :

La masse de la turbine éolienne est reportée sur l’arbre de la turbine sous la forme du

moment d’inertie Jturbine et comprend la masse des pales et la masse du rotor de la turbine.

L’équation fondamentale de la dynamique permet de déterminer l’évolution de la vitesse

mécanique à partir du couple mécanique total (Cmec) appliqué au rotor :

Où J est l’inertie totale qui apparaît sur le rotor de la génératrice.

Ce couple mécanique prend en compte, le couple Cmec produit par la génératrice, le couple

électromagnétique des frottements visqeux Cvis et le couple issu du multiplicateur Cg.

Le couple résistant dû aux frottements est modéré par un coefficient de

frottements visqueux f:

29

Conclusion

L'état avancé des recherches dans le domaine éolien montre une volonté de

développer des éoliennes toujours plus puissantes et capables de capter au mieux les

puissances disponibles du vent. Actuellement, plusieurs recherches ont été effectuées

sur les stratégies de commande des différentes chaines de conversion éolienne

utilisées dans la production d'électricité. Ces systèmes sont généralement basés sur

des générateurs synchrone ou asynchrone, en particulier les machines asynchrones à

double alimentation (MADA), qui fera l’objet de l’étude du chapitre suivant.

CHAPITRE II

COMMANDES ET MODELISATION

DES GENERATEURS EOLIENS

Chapitre II Commandes et modélisation du générateur MADA

30

Introduction

Au cours de ces dernières années, la technologie des aérogénérateurs a énormément

évoluée entraînant une spécialisation des différents types d’éolienne. De différentes

machines électriques peuvent être utilisées pour la génération de la puissance éolienne.

Selon l’application, les facteurs techniques et économiques imposent le choix du type de la

machine.

Dans ce chapitre, les différents types de machines et leurs domaines d’utilisation seront

brièvement exposés. La modélisation de la machine asynchrone sera abordée avant de

procéder à la simulation du système électro-énergétique. Les résultats de simulation

obtenus, permettront de caractériser le comportement du système de conversion.

II.1 Avantages et inconvénients des différents générateurs :

II.1.1 Machine synchrone:

La machine synchrone est utilisée dans la plus part des procédés traditionnels de

production d’électricité, notamment dans ceux de très grande puissance (Centrales

thermiques, hydrauliques ou nucléaires), les générateurs synchrones sont aussi utilisés

dans le domaine éolien pour des puissances allant de 500 kW à 2 MW mais ils sont bien

plus coûteux que les générateurs à induction de la même taille [25].

Avantages :

Absence de courant réactif de magnétisation.

Le champ magnétique du générateur synchrone peut être obtenu par des aimants

ou par un bobinage d’excitation conventionnel.

Présence d’un couple important à dimensions géométriques convenables [26].

Inconvénients :

Dans le domaine de conversion éolienne, la vitesse de rotation est maintenue fixe

pour synchroniser la machine avec le réseau.

Au-delà d’une puissance de 20kW, la machine synchrone devienne complexe et

couteuse.

II.1.1.1 Machines Synchrone à Rotor Bobiné :

Ce type de machine est utilisé dans les domaines de grandes puissances (Générateurs dans

les centrales électriques [27]).


31

Avantages :

Tensions triphasées équilibrées de fréquence stable (Alternateur connecté

directement au réseau).

Création du courant réactif (Compensateur synchrone).

Inconvénients :

Pour se connecter au réseau, sa vitesse de rotation doit être rigoureusement

proportionnelle et liée à la fréquence du réseau.

Nécessité d'un multiplicateur de vitesse.

Ces machines demandent un entretien régulier du système de contacts glissants. Le

circuit d'excitation est assuré par l'intermédiaire d'un redresseur [28].

II.1.1.2 Machine synchrone à aimant permanent :

Le rotor est constitué d'un aimant permanent. Ce type de machines sont plus légères et

tendent à être de plus en plus utilisé, elles peuvent fonctionner en mode autonome [29].

Avantages :

Gain important en poids, meilleure maintenabilité (Absence de multiplicateur).

Réduction du nombre de pièces en rotation.

Moins bruyante.

Réduction de la charge.

Bon rendement [30].

Durée de vie de la machine plus longue.

Inconvénients :

Nécessite une conversion électrique afin de garder une fréquence constante.

La construction de la génératrice requière des aimants permanents

particulièrement fabriqués en terres rares (Lanthanides) [31].

II.1.2 Machine asynchrone :

Pendant longtemps, la machine asynchrone a été fortement concurrencée par la machine

synchrone dans les domaines de forte puissance et ce, jusqu'à l'apparition de l'électronique

de puissance. Grâce à l'électronique de puissance, elle est de plus en plus utilisée en

génératrice particulièrement dans les systèmes de génération éolienne.


32

Avantages :

Robustesse et simplicité mécanique.

Coût réduit.

Inconvénients : Consommation d’un courant réactif de magnétisation au stator.

Pertes d’énergie dues au multiplicateur.

Bruit et vibrations importantes

Risque de fuite d'huile au multiplicateur

L’énergie électrique produite est de moindre qualité et entraîne des perturbations

sur le réseau.

II.1.2.1 Machine asynchrone à cage :

Les machines asynchrones à cage sont utilisées en fonctionnement à vitesse variable en

introduisant un variateur de fréquence [32]. Elles sont rarement exploitées car elles ne

sont pas concurrentielles avec les autres types de machines. Ces machines « rapides »

nécessitent d’être associées à leur turbine éolienne, beaucoup plus lente, à travers un

multiplicateur de vitesse mécanique.

Fig. II.1: Schéma de connexion au réseau de l'éolienne avec MAS à cage d'écureuil [35].

Avantages :

Elles possèdent un système électrique plus simple (Elles nécessitent pas un système

d’électronique de commande).

Très grande fiabilité.

Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de

l’éolienne.


33

L’inclinaison des barres de la cage permet de diminuer la variation de la réluctance

du circuit magnétique au cours de la rotation du rotor ou « effet d'encoches » et de

diminuer ainsi les oscillations du couple.

Inconvénients :

Coûteuse

Importantes usures des pièces (Maintenance plus coûteuse)

II.1.2.2 Machine asynchrone à double stator :

Cette configuration d'éolienne permet un point de fonctionnement à deux vitesses. On

réalise un double bobinage au stator qui induit un nombre de paires de pôles variable et

donc des plages de vitesses différentes. On peut imposer deux vitesses de synchronisme

par changement du nombre de pôles. D'une part, on a un stator de faible puissance à grand

nombre de paires de pôles pour les petites vitesses de vent, d’autre part, on a un stator de

forte puissance correspondant à une vitesse élevée et donc à faible nombre de paires de

pôles pour les vitesses de vent élevées.

Fig. II.2: Schéma de la connexion au réseau de l'éolienne avec la MAS à double stator [35].

Avantages :

Le bruit engendré par l'éolienne est plus faible pour les petites vitesses

L'angle de calage nécessaire à l'orientation des pales atteint des valeurs moins

élevées [32].

Inconvénients :

Augmentation du coût et du diamètre de façon non négligeable.

Augmentation du poids et de l’encombrement de l'ensemble [32].

http://eolienne.f4jr.org/projet_eolien/maintenance


34

II.1.2.3 Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) :

La machine asynchrone à double alimentation (MADA) présente plus d’avantages par

rapport aux autres types de machines à vitesse variable. La machine asynchrone à double

alimentation est un générateur à induction. Les enroulements du stator sont connectés

directement au réseau triphasé. Les enroulements du rotor sont reliés à des convertisseurs

de puissance bidirectionnels en courant. Son utilisation dans la chaine de conversion

électromécanique en tant qu’aérogénérateur ou moteur a connu une croissance

spectaculaire au cours des dernières années. En effet, le convertisseur d’énergie utilisé afin

de redresser-onduler les courants alternatifs du rotor a une puissance nominale

fractionnaire de celle du générateur, ce qui réduit son coût par rapport aux topologies

concurrentes. Le condensateur entre ces deux convertisseurs représente le bus continu. Le

transformateur élévateur de tension permet le raccordement au réseau de distribution.

Fig. II.3 : Structure du stator et des contacts srotoriques de la machine asynchrone [35].

II.2 Les applications de la MADA :

Application moteur :

La MADA représente une nouvelle solution dans le domaine des entraînements de forte

puissance, notamment ceux exigeant un large domaine de fonctionnement étendu à

puissance constante et une grande plage de variation de la vitesse comme le laminage, la

traction ferroviaire ou encore la propulsion maritime [33].

Application génératrice :

Grâce à sa capacité de fonctionner dans une large gamme de vitesses, la MADA est devenue

la solution adaptée pour l’énergie éolienne. L'alimentation du circuit rotorique à fréquence

variable permet d’avoir des tensions statoriques à fréquence et amplitude fixes quelques


35

soit la vitesse de rotation de son arbre. Ce fonctionnement présente la MADA comme une

alternative sérieuse aux machines synchrones classiques dans de nombreux systèmes de

production d'énergie décentralisée [34].

II.2.1 Fonctionnement de la MADA en génératrice à vitesse variable :

Afin d’expliquer le principe de fonctionnement de la MADA, il est préférable de négliger

toutes les pertes. En tenant compte de cette hypothèse, la puissance P comme il est signalé

dans la figure (Fig. II.4) qui est fournie au stator traverse l’entrefer, une partie de cette

puissance fournie égale à (1 −g)P est transformée sous forme de puissance mécanique, le

reste gP sort par les balais sous forme de grandeurs alternatives de fréquence gP. Ces

grandeurs de fréquence variable sont transformées en énergie ayant la même fréquence

que le réseau électrique par l’intermédiaire d’une interface d’électronique de puissance

composée de deux convertisseurs statiques séparés par un bus continu. Ce réseau reçoit

une puissance de (1 +g)P. Une fois le rotor connecté au réseau, un flux magnétique

tournant à vitesse fixe apparait au stator, ce flux dépend de la réluctance du circuit

magnétique, du nombre de spires de bobinage et du courant statorique.

Fig. II.4 : Schéma de principe d’une MADA à rotor bobiné pilotée par le rotor [35].

II.2.1.1 MADA Type "Brushless" :

Cette machine est constituée de deux bobinages triphasés au stator. Un de

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BADJI MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITE بانع–راتخم يجاب عماجbiblio.univ-annaba.dz/.../2017/12/Kherouf-Mohamed.pdf · Juin 2017 Faculté des Sciences de l'ingénieur