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DVELOPPEMENT DUN SIMULATEUR NUMRIQUE DE

ROTORS DOLIENNES

Application une chane de conversion olienne utilisant une

machine synchrone aimants permanents

Mmoire prsent

dans le cadre du programme de matrise en ingnierie

en vue de lobtention du grade de matre en sciences appliques (M.Sc.A.)

PAR

MOUSSA TRAOR

Septembre 2016

Composition du jury :

Jean-Sbastien Deschnes, prsident du jury, Universit du Qubec Rimouski

Ahmed Chebak, directeur de recherche, Universit du Qubec Rimouski

Jean-Franois Mthot, codirecteur de recherche, Universit du Qubec Rimouski

Mamadou Lamine Doumbia, examinateur externe, Universit du Qubec Trois-

Rivires

Dpt initial le 13-09-2016 Dpt final le 21-12-2016

UNIVERSIT DU QUBEC RIMOUSKI

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moraux ni ses droits de proprit intellectuelle. Sauf entente contraire, lauteur conserve

la libert de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont il possde un exemplaire.

REMERCIEMENTS

Je tiens remercier tout dabord mes superviseurs de recherche, M. Ahmed Chebak

et M. Jean-Francois Mthot, pour leurs conseils constructifs et leurs orientations durant ces

annes dtude. Jexprime aussi ma gratitude aux professeurs Adrian Ilinca et Jean-

Sbastien Deschnes pour leur support et accessibilit quand javais des questions.

Je souhaite rendre grce mon frre et toute ma famille pour leurs prires et

encouragements qui mont vraiment pousss faire plus defforts. Je dis merci mes amis

tudiants au bac dans mon universit, je veux nommer Ousmane Ndiaye, Mouhamadou

Fallou Sady et Malick Faye.

RSUM

Lnergie olienne est devenue lune des plus attrayantes nergies renouvelables

utilises pour la production dlectricit. Laugmentation de la productivit des oliennes

ncessite plus dtudes et de tests sur les configurations de turbines, leur couplage aux

gnratrices et le contrle du systme. Linstallation dune olienne pour effectuer des tests

et analyser les performances est une opration onreuse. Il est important alors dutiliser des

simulateurs pour faciliter ltude et le contrle de ces systmes et assurer une conversion

optimale de lnergie olienne.

Ce travail de recherche consiste dvelopper un simulateur de turbines oliennes qui

permet de reproduire le comportement dynamique des pales du rotor olien et de gnrer

les caractristiques couple-vitesse en utilisant une modlisation arodynamique du systme.

Il consiste aussi valider le simulateur dvelopp en le couplant une chane de conversion

dnergie olienne compose dune gnratrice synchrone aimants permanents, dun

redresseur diodes et dun hacheur dvolteur rgul en utilisant la stratgie de contrle

MPPT (Maximum Power Point Tracking). Cette stratgie permet une extraction maximale

de la puissance arodynamique sous un rgime de vent variable.

Un gnrateur de vitesse de vent, bas sur un modle qui inclut le spectre de Van der

Hooven et permettant dalimenter le simulateur, est dabord dvelopp. Ensuite, le

simulateur darbres oliens est dvelopp en utilisant deux approches. La premire

approche est une mthode thorique du calcul du couple base sur lexcution dun

algorithme form des quations arodynamiques thoriques issues de la thorie de

llment de pale, tandis que la deuxime approche est une mthode numrique utilisant le

logiciel PROPID. Afin de valider le fonctionnement et le comportement du simulateur

dvelopp, ce dernier est utilis pour entrainer une gnratrice aimants permanents

alimentant une charge travers un redresseur et un hacheur. Le systme de contrle est

aussi dvelopp et les paramtres du rgulateur sont dtermins. Diffrentes simulations du

systme olien complet sont effectues sur Matlab/Simulink sans contrle et avec contrle

MPPT et les rsultats sont prsents, analyss et discuts. Les rsultats obtenus montrent la

validit et la fonctionnalit du simulateur dvelopp ainsi que lefficacit de la stratgie de

contrle MPPT propose.

Mots cls : Simulateur de turbines oliennes, thorie de llment de pales, spectre de

Van der Hooven, table de correspondance, gnratrices synchrones aimants permanents,

turbine vitesse variable, stratgie de contrle MPPT.

ABSTRACT

Wind power has become one of the most attractive renewable energies used in power

generation. Increasing the productivity of wind turbines requires more studies and tests on

turbine configurations, coupling to generators and system control. Installing a wind turbine

to perform tests and analyze performance is a costly operation, so it is important to develop

wind turbine simulators to facilitate the study and control of these systems and ensure an

optimal conversion of wind energy.

This research involves developing a wind turbine simulator that reproduces the

dynamic behavior of the wind turbine blades and generates torque-speed characteristics

using aerodynamic modeling of the system. It also consists of validating the developed

simulator by coupling it with a wind energy conversion chain composed of a permanent

magnet synchronous generator, a rectifier and a buck converter regulated by using the

MPPT (Maximum Power Point Tracking) control strategy. This strategy allows extracting

the maximum of the aerodynamic power under a variable wind regime.

Based on a model that includes the Van der Hooven spectrum, a wind speed

generator is first developed and allows to feed the simulator. Next, the wind turbine

simulator is developed using two approaches. The first one is a theoretical method of torque

calculation using an algorithm based on aerodynamic equations resulting from the blade

element theory, whereas the second one is a numerical method using the PROPID software.

To validate the developed simulator operation and behaviour, it is used to drive a

permanent magnet synchronous generator feeding a load through a rectifier-buck converter.

The control system is also developed and the regulator is designed. Different simulations of

the wind energy conversion system are performed using Matlab/Simulink and the results

are presented, analysed and discussed both for MPPT control and without control. These

results confirm the usability of the developed simulator and the efficiency of the MPPT

control strategy.

Keywords: Wind turbine simulator, blade element theory, Van der Hooven spectrum,

correspondence table, permanent magnet synchronous generator, variable speed turbine,

Maximum Power Point Tracking control.

TABLE DES MATIRES

REMERCIEMENTS ............................................................................................................ vii

RSUM ............................................................................................................................... ix

ABSTRACT ........................................................................................................................... xi

TABLE DES MATIRES .................................................................................................. xiii

LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................. xvii

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................ xix

LISTE DES ABRVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES .......................... xxv

LISTE DES SYMBOLES ................................................................................................ xxvii

CHAPITRE 1 INTRODUCTION GNRALE ..................................................................... 1

1.1 CONTEXTE DU PROJET .................................................................................................. 1

1.2 PROBLEMATIQUE ......................................................................................................... 3

1.3 OBJECTIFS .................................................................................................................... 4

1.4 TAT DE LA RECHERCHE .............................................................................................. 5

1.5 METHODOLOGIE ........................................................................................................... 8

1.6 HYPOTHESES ET LIMITES .............................................................................................. 9

1.7 ORGANISATION DU MEMOIRE ..................................................................................... 10

CHAPITRE 2 GNRALITES SUR LOLIEN ............................................................. 13

2.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 13

2.2 CLASSIFICATION DES EOLIENNES SELON LES CONFIGURATIONS ET LES PRINCIPES

DE FONCTIONNEMENT ................................................................................................ 15

2.2.1 Arognrateur axe vertical ............................................................................ 16

2.2.2 Arognrateur axe horizontal ........................................................................ 19

xiv

2.2.3 Machines lectriques ......................................................................................... 21

2.3 REPRESENTATION DE LA SOURCE EOLIENNE .............................................................. 24

2.3.1 Potentiel olien .................................................................................................. 24

2.3.2 Turbulence ......................................................................................................... 25

2.3.3 Modle de gnration de vitesse du vent ........................................................... 28

2.4 CONCLUSION ............................................................................................................. 30

CHAPITRE 3 THORIE AERODYNAMIQUE DES TURBINES EOLIENNES............. 31

3.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 31

3.2 THEORIE DU DISQUE .................................................................................................. 31

3.2.1 Force axiale ....................................................................................................... 33

3.2.2 Puissance maximale et limite de Betz ............................................................... 36

3.3 THEORIE DE LELEMENT DE PALE .............................................................................. 38

3.3.1 Types de profils des turbines oliennes ............................................................. 43

3.3.2 Dcrochage arodynamique .............................................................................. 43

3.4 PRSENTATION DU LOGICIEL PROPID ...................................................................... 44

3.4.1 Fichiers lis lexploitation du logiciel PROPID ............................................. 45

3.4.2 Avantages et inconvnients du logiciel PROPID .............................................. 47

3.5 CONCLUSION ............................................................................................................. 48

CHAPITRE 4 DVELOPPEMENT DU SIMULATEUR DES

CARACTRISTIQUES STATIQUES ET DYNAMIQUES DES TURBINES

OLIENNES ........................................................................................................................ 51

4.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 51

4.2 DVELOPPEMENT DU SIMULATEUR ............................................................................ 52

4.2.1 Premire mthode : modle thorique ............................................................... 52

4.2.2 Deuxime mthode : modle numrique ........................................................... 57

4.2.3 Caractristiques du couple et de la puissance en fonction de la vitesse de

vent .................................................................................................................... 59

xv

4.3 MODELISATION DE LENSEMBLE CONVERTISSEUR STATIQUE-MACHINE

ELECTRIQUE ............................................................................................................... 63

4.3.1 Gnratrice synchrone aimants permanents .................................................... 64

4.3.2 Convertisseur statique ........................................................................................ 70

4.4 CONCLUSION .............................................................................................................. 74

CHAPITRE 5 COUPLAGE DU SIMULATEUR DARBRE OLIEN UNE

CHANE DE CONVERSION OLIENNE ......................................................................... 77

5.1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 77

5.2 PRESENTATION DU MODELE DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE ...................... 78

5.3 SIMULATION DU SYSTEME EOLIEN SANS CONTROLE ................................................... 80

5.3.1 Essais de simulations effectues ........................................................................ 81

5.3.2 Rsultats de simulation du systme olien sans contrle ................................... 83

5.4 SIMULATION DU SYSTEME EOLIEN AVEC CONTROLE MPPT ....................................... 89

5.4.1 Mthode de contrle dune olienne vitesse variable ..................................... 90

5.4.2 Dveloppement du systme de contrle ............................................................ 91

5.4.3 Rgulation et calcul des paramtres du contrleur ............................................ 95

5.4.4 Rsultats de simulation du systme olien avec contrle MPPT ....................... 98

5.5 CONCLUSION ............................................................................................................ 106

CONCLUSION GNRALE ............................................................................................. 109

RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................................ 113

ANNEXES A ...................................................................................................................... 119

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Caractristiques de laromoteur considr [7] ................................................ 5

Tableau 2.1 : Prsentation des 10 premiers pays en matire dnergie olienne en

2015 [28] ............................................................................................................................... 15

Tableau 2.2 : Diffrentes longueurs de rugosit en fonction des terrains ............................. 27

Tableau 4.1 : Paramtres gomtriques dun exemple de turbine olienne [55] ................. 56

Tableau 4.2 : Paramtres de la gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP) ........ 68

Tableau 5.1 : Identification des paramtres du contrleur .................................................... 98

Tableau A.1 : Dfinition des cinq diffrentes courbes gnres avec 2D_SWEEP ........... 125

Tableau A.2 : Dfinition des cinq diffrentes courbes gnres avec 1D_SWEEP ........... 125

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 : Schma de la transmission mcanique simplifi dune conversion

olienne ................................................................................................................................... 6

Figure 2.1 : Capacit dnergie olienne (en mgawatt) installe dans le monde

durant les quinze dernires annes [28] ................................................................................ 14

Figure 2.2 : olienne axe horizontal et olienne axe vertical [29] .................................. 16

Figure 2.3 : Rotor olien de type Savonius [31] ................................................................... 17

Figure 2.4 : Principe de fonctionnement dun rotor olien de type Darrieus [32] ................ 18

Figure 2.5 : Les deux configurations doliennes axe horizontal (Upwind pour type

amont et Downwind pour type aval) [35] ............................................................................. 19

Figure 2.6 : Illustration des diffrentes parties dune olienne [36] ..................................... 21

Figure 2.7 : Spectre de la vitesse du vent de Van der Hoven [39] ........................................ 25

Figure 2.8 : Diagramme de gnration de vitesse du vent .................................................... 29

Figure 2.9 : Exemple de profil de vent gnr sous Matlab/Simulink ayant une vitesse

moyenne de 10 m/s ............................................................................................................... 30

Figure 3.1 : Exemple de la forme gnrale des champs de pression et de vitesse [44] ........ 32

Figure 3.2 : Modle de disque pour un rotor dolienne [45] ............................................... 34

Figure 3.3 : Densits de puissance pour un site olien des vitesses de vent variables

[47] ........................................................................................................................................ 37

Figure 3.4 : Variation des coefficients de puissance et de traine en fonction de

linduction axiale a ............................................................................................................... 38

Figure 3.5 : Pale en plusieurs sections et lment de pale repr la position r de la

pale ........................................................................................................................................ 41

xx

Figure 3.6 : Champ de forces et vitesses agissant sur l'lment de pale .............................. 41

Figure 3.7 : Exemple de distribution du nombre de Reynolds sur le long dune pale ......... 46

Figure 3.8 : Exemple de coefficient de traine Cl et de portance Cd en fonction de

langle dattaque ................................................................................................................ 46

Figure 4.1 : Organigramme de lalgorithme de la mthode de thorie de llment de

pale ....................................................................................................................................... 54

Figure 4.2 : volution des coefficients des inductions axiale et tangentielle et de

lerreur calcule .................................................................................................................... 57

Figure 4.3 : Structure du simulateur de turbines oliennes dvelopp et prsentation

de ses entres et sorties ......................................................................................................... 58

Figure 4.4 : Modle Simulink du simulateur des turbines oliennes ................................... 59

Figure 4.5 : Courbes du coefficient de puissance calcul en fonction de la vitesse

spcifique pour diffrentes valeurs de langle de calage ................................................... 60

Figure 4.6 : Courbes du coefficient de puissance calcul en fonction de la vitesse

spcifique pour diffrentes vitesses de vent (en m/s) ........................................................... 61

Figure 4.7 : Couple arodynamique calcul en fonction de la vitesse de rotation pour

diffrentes vitesses de vent (en m/s) .................................................................................... 62

Figure 4.8 : Puissance arodynamique calcule en fonction de la vitesse de rotation

pour des vitesses de vent diffrentes (en m/s) ...................................................................... 63

Figure 4.9 : Circuit quivalent de la gnratrice synchrone aimants permanents dans

le repre d, q ......................................................................................................................... 65

Figure 4.10 : Modle Simulink de la gnratrice synchrone aimants permanents

couple un redresseur diodes .......................................................................................... 67

Figure 4.11 : Courant de ligne dlivr par la gnratrice aimants permanents ................. 69

Figure 4.12 : Tension ligne-ligne dlivre par la gnratrice aimants permanents ........... 69

Figure 4.13 : Schma du hacheur dvolteur ......................................................................... 70

xxi

Figure 4.14 : Modle simplifi du hacheur dvolteur et son principe de

fonctionnement ..................................................................................................................... 71

Figure 4.15 : Modle Simulink du hacheur dvolteur .......................................................... 73

Figure 4.16 : Rsultats de simulation du hacheur dvolteur asservi ..................................... 74

Figure 5.1 : Modle de la chane de conversion olienne incluant le simulateur ................. 79

Figure 5.2 : Modle dvelopp du convertisseur statique .................................................... 79

Figure 5.3 : Modle Simulink du systme olien complet sans contrle ............................. 80

Figure 5.4 : Allure de la vitesse du vent considre pour la premire simulation

(vitesse constante) ................................................................................................................. 81

Figure 5.5 : Allure de la vitesse du vent considre pour la deuxime simulation

(changement par chelon de la vitesse du vent) ................................................................... 82

Figure 5.6 : Allure de la vitesse du vent constante considre pour la troisime

simulation (vitesse du vent alatoire) ................................................................................... 83

Figure 5.7 : Courbe du coefficient de puissance en fonction du temps ................................ 84

Figure 5.8 : Performances du systme olien sans contrle pour la premire

simulation : (a) vitesse du vent, (b) vitesse de rotation de larbre olien, (c) coefficient

de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................... 86

Figure 5.9 : Performances du systme olien sans contrle pour la deuxime



Figure 5.10 : Performances du systme olien sans contrle pour la troisime



Figure 5.11 : Distribution des points de fonctionnement du systme sans contrle sur

les courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation pour diffrentes vitesses

du vent ................................................................................................................................... 89

xxii

Figure 5.12 : Courbe de puissance typique dune olienne en fonction de la vitesse du

vent ....................................................................................................................................... 91

Figure 5.13 : Variation du coefficient de puissance en fonction de la vitesse

spcifique pour un angle de calage nul ................................................................................ 92

Figure 5.14 : Systme de commande de la stratgie de contrle de la tension du cot

continu .................................................................................................................................. 93

Figure 5.15 : Modle Simulink du sous-systme de contrle .............................................. 94

Figure 5.16 : volution du couple de rfrence en fonction de la vitesse de rotation ......... 95

Figure 5.17 : Reprsentation de lasservissement du systme modlisant le procd ......... 96

Figure 5.18 : Modle du simulateur darbre olien coupl au systme de conversion

olienne ................................................................................................................................ 99

Figure 5.19 : Performances du systme olien avec contrle pour la premire


de puissance, (d) couple arodynamique et (e) puissance mcanique du rotor .................. 100

Figure 5.20 : Performances du systme olien avec contrle pour la deuxime



Figure 5.21 : Courbes des vitesses de rotation optimale et mcanique du rotor pour

une vitesse de vent variable en chelons ............................................................................ 102

Figure 5.22 : Performances du systme olien avec contrle pour la troisime



Figure 5.23 : Courbes des vitesses de rotation optimale et mcanique pour une vitesse

variable de faon raliste .................................................................................................... 104

Figure 5.24 : Distribution des points de fonctionnement du systme olien avec

contrle sur les courbes de puissances pour une vitesse de vent variable en chelons ...... 105

xxiii

Figure 5.25 : Distribution des points de fonctionnement du systme olien avec

contrle sur les courbes de puissances pour une vitesse de vent variable de faon

alatoire ............................................................................................................................... 105

Figure A.1 : Donnes sur les profils de pales choisis ......................................................... 121

LISTE DES ABRVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES

HAWT Horizontal axis wind turbine

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

LREE Laboratoire de Recherche en nergie olienne

VAWT Vertical axis wind turbine

GSAP Gnratrice synchrone aimant permanent

MLI Modulation de largeur impulsion

LISTE DES SYMBOLES

Facteur dinduction axiale

Facteur dinduction tangentielle

Coefficient dinduction axiale aprs convergence

Coefficient dinduction tangentielle aprs convergence

c Corde du profil de la section de pale

Capacit du hacheur dvolteur

Coefficient de portance de llment de pale

Coefficient de puissance maximal du rotor de la turbine olienne

Coefficient de traine de llment de pale

Rapport cyclique du hacheur dvolteur

Force lmentaire axiale agissant sur une section de pale

Force lmentaire tangentielle agissant sur une section de pale

Facteur de Prandtl

Frquence en hertz du processus alatoire

Force de frottement combine de la charge et du rotor de la

gnratrice

xxviii

Frquence du champ tournant de la machine synchrone

Fonction de transfert du modle du hacheur dvolteur

Fonction de transfert du contrleur

Fonction de transfert du filtre rationnel

Fonction de transfert du filtre rationnel approxim

Courant de la bobine du hacheur dvolteur

Courant de sortie du hacheur dvolteur

Courants triphass du stator projetes sur les axes q et d

Courant de rfrence pour asservir le hacheur dvolteur.

Intensit de turbulence

Inertie du rotor

Gain du filtre du bruit blanc (modle de vent)

Constante caractristique du point dopration optimal de la turbine

Gain proportionnel du contrleur

Gain proportionnel-drivateur du contrleur

Inductance de la bobine du hacheur dvolteur

Inductances mutuelles du rotor au stator projetes sur les axes q et d

xxix

Longueur de turbulence du site

Longueur de turbulence du site fonction de

Paramtres dfinissant le filtre rationnel approxim

Nombre de pale du rotor

Vitesse de rotation du champ tournant de la machine synchrone

Nombre de pair de ples des bobines

Puissance mcanique du rotor

Pression exerce au point (1) du volume de contrle entourant la

turbine

Pression exerce au point (2) du volume de contrle entourant la

turbine

Puissance arodynamique du rotor de lolienne

Pression du fluide exerce au point medium (avg : average en

anglais)

Rsistance des bobines du stator de la gnratrice

r Position de la section de pale

Rsistance associe au condensateur du hacheur dvolteur

Rsistance de la bobine du hacheur dvolteur

Surface du rotor

xxx

Force de traine applique au rotor

Constante de temps drivateur du contrleur

Couple lectromagntique

Constante de temps du filtre du bruit blanc (modle de vent)

Constante de temps du filtre du contrleur

Couple de frottement de la gnratrice

Constante de temps intgrateur du contrleur

Couple de mcanique de la gnratrice

Temps dchantillonnage du bruit blanc (modle de vent)

Couple optimal du rotor de la turbine olienne

Couple de rfrence pour asservir le hacheur dvolteur

Volume entourant le rotor tudi

Vitesse du fluide au point (1) du volume de contrle

Vitesse du fluide au point medium

Vitesse au point (2) du volume de contrle

Tension de sortie du hacheur dvolteur

Tension aux bornes du condensateur du hacheur dvolteur

Tension redresse de la gnratrice synchrone

xxxi

Tension dentre du hacheur dvolteur

Tension triphase du stator projetes sur les axes q et d

Pulsation du processus alatoire

Vitesse de rotation du rotor de lolienne

Vitesse angulaire du rotor de la gnratrice

Vitesse de rotation des pales du rotor

Hauteur par rapport au sol du site

Hauteur de rugosit du site

Angle dattaque du fluide sur la pale

Fonction mathmatique Beta

Densit volumique de lair

Angle dfinissant lorientation de la vitesse relative du vent

Couple arodynamique du rotor

Amplitude du flux induit du rotor sur le stator

Position angulaire du rotor

Vitesse spcifique optimal du rotor de la turbine olienne

Rugosit du site tudi

CHAPITRE 1

INTRODUCTION GNRALE

1.1 CONTEXTE DU PROJET

Actuellement, le dveloppement durable et les nergies renouvelables constituent le

centre dintrt de plusieurs chercheurs. Les nergies renouvelables font rfrence aux

sources dnergie qui peuvent se renouveler naturellement lchelle dune vie humaine.

Cette motivation rsulte de proccupations dordres multiples : la protection de

lenvironnement et lconomie des ressources nergtiques traditionnelles. En effet, les

combustibles fossiles sont les plus grands diffuseurs de dioxyde de carbone qui est le

principal gaz effet de serre. Il a t montr que linstallation dun mgawatt dnergie

olienne pargnerait par an lmission de plusieurs milliers de tonnes de produits

indsirables (2 000 tonnes de CO2, 13 tonnes de NO2, 10 tonnes de NOx et 1,3 tonne de

particules de suies) [1]. Selon le chercheur Bernard Multon, la production dlectricit

connait de nombreux soubresauts dont le rapprochement de lchance dpuisement des

nergies fossiles et fissiles [2]. Le ministre franais de lnergie a publi un rapport qui

affirme la disparition du ptrole dans moins de 40 ans, 50 ans pour luranium, 62 ans pour

le gaz naturel et 230 ans pour le charbon [3]. Un pays comme le Canada possde un vaste

territoire donc un fort potentiel olien, mais il est difficile de transporter, sans perte,

lnergie lectrique des centrales vers des zones gographiquement inaccessibles. Sur le

territoire de l'tat canadien, on dnombre plus de 300 communauts isoles o vivent

200 000 citoyens [4]. Il est alors intressant dalimenter en lectricit ces communauts

partir des nergies renouvelables en utilisant par exemple des oliennes capables de fournir

une production dnergie lectrique dcentralise, qui pourrait par la mme occasion

assister les rserves hydrauliques.

2

En dpit de pouvoir remplacer totalement les ressources dnergie traditionnelles,

lnergie olienne peut toutefois tre envisage comme une solution de rechange

intressante du point de vue conomique, politique et social. Son dveloppement sest

fortement accentu au dbut des annes 2000 en connaissant une croissance annuelle de

30% [5]. Cette mergence est accompagne non seulement dune progression dans la

technologie olienne, mais aussi de ralisation de grandes fermes doliennes, d'une

rduction des cots de fabrication et dun dveloppement important de la recherche dans ce

domaine.

Afin de supporter ces efforts de recherche dans le domaine olien, un banc dessai

olien exprimental est dvelopp au laboratoire de recherche en nergie olienne (LREE)

de lUniversit du Qubec Rimouski (UQAR) permettant la simulation et ltude du

contrle des oliennes. Ainsi, notre projet de recherche sinscrit dans le contexte de la mise

sur pied dune des trois parties constituant ce projet global savoir le banc dessai olien :

cest un simulateur en temps rel permettant de crer les conditions de paramtrage et de

contrle d'une olienne afin d'observer, de mesurer son comportement et doptimiser son

contrle. Ce banc dessai est constitu dun simulateur informatique (implant dans le

systme Opal-RT de la compagnie RT-Lab), dun systme lectromcanique (moteur

courant continu mulant le comportement dune turbine olienne coupl une gnratrice

induction) et dun systme dlectronique de puissance. Le systme lectromcanique est

pilot par le simulateur informatique en utilisant un systme de contrle lectronique et

dlectronique de puissance. Le simulateur pilote, dune part, le moteur courant continu

en fournissant son systme de contrle les caractristiques couple-vitesse des turbines

oliennes simules, et dautre part, la gnratrice en fournissant son convertisseur statique

les lois de commande optimales de conversion dnergie olienne. Cet outil qui permettra

davancer dans la recherche pour optimiser les systmes de conversion olienne est bien

dcrit et dtaill dans la rfrence [6].

3

1.2 PROBLEMATIQUE

Lnergie olienne est devenue lune des plus attrayantes ressources nergtiques

pour la production dlectricit tant donn quelle ne pollue pas de faon directe [7].

Cependant, une augmentation de la productivit olienne va de pair avec plus de tests sur

les configurations des turbines et leur connexion aux gnratrices pour ltude de la

conversion olienne. Pour son dveloppement, la production olienne doit rpondre un

certain nombre de critres dvaluation conomique et cologique par rapport aux sources

dnergie traditionnelles. Ainsi, beaucoup de chercheurs et dindustriels se sont orients

vers la conception de nouvelles turbines afin de rduire le prix de revient du kilowattheure

et damliorer leur rendement pour plus defficacit [8]. Un systme de conversion olienne

est un outil complexe de transformation dnergie qui prsente plusieurs aspects de la

puissance olienne. Lanalyse des caractristiques et du contrle optimal dun systme de

conversion olienne peut se faire avec un prototype que lon peut tester en soufflerie.

Toutefois, cette procdure reste onreuse surtout pour des oliennes grande puissance.

Pour pallier les inconvnients, des simulateurs darognrateur sont gnralement

envisags. Il existe plusieurs approches pour modliser les turbines oliennes. Nombreuses

sont les recherches qui adoptent lapproche analytique, on peut citer les rfrences [9] et

[10]. Cependant, pour les modles arodynamiques tablis partir de la thorie de

llment de pale, les oscillations des valeurs dinduction axiale (qui se traduit par une perte

de vitesse du fluide en amont du rotor de lolienne) lors des calculs ditrations posent un

problme assez commun. Ces fluctuations sont imputables des permutations priodiques

entre charges lourdes et lgres [11]. En plus, les recherches menes sur la transformation

de lnergie olienne en nergie lectrique ont montr des problmes importants : le

caractre alatoire de sa source, le vent, entraine une fluctuation de sa puissance de sortie

[12] et rend ainsi difficiles ltude ainsi que les essais sur une turbine relle.

Ainsi, dans ce travail de recherche, on cherche raliser un simulateur de turbines

oliennes facilitant leur tude. Un mulateur qui serait non seulement capable de

reprsenter efficacement plusieurs types de turbines oliennes, mais aussi de fournir dans

4

des conditions ralistes les caractristiques couple-vitesse des rotors de ces turbines. Ce

simulateur, bas sur une modlisation arodynamique des turbines oliennes, fera partie

intgrante du banc dessai olien dvelopp au laboratoire LREE. des fins de tests et de

validation du simulateur dvelopp, ce dernier ne sera pas valid exprimentalement sur le

banc dessai olien, mais en simulation (sur MATLAB/SIMULINK) o il sera utilis pour

entrainer une gnratrice synchrone aimants permanents alimentant une charge par

lintermdiaire dun hacheur dvolteur.

1.3 OBJECTIFS

Le but de ce projet de recherche est dvelopper un simulateur de turbines oliennes

qui permet de reproduire le comportement dynamique des pales du rotor olien dans des

conditions ralistes et de fournir les caractristiques couple-vitesse pour une vitesse de vent

et un site donns. Ceci passe par le dveloppement des modles arodynamiques des

turbines oliennes permettant dtudier leurs performances que ce soit vitesse fixe ou

vitesse variable. Il sagit aussi de valider le simulateur en le couplant avec une chane de

conversion dnergie olienne utilisant une gnratrice aimants permanents et un hacheur

contrl en utilisant la stratgie MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Dans le but doffrir un environnement de test et de contrle raliste, le simulateur doit

pourvoir reproduire le couple ainsi que la puissance arodynamique sur larbre dun

aromoteur typique dont les caractristiques sont prsentes au tableau 1.1 en considrant

trois types de profil de pales. Ces profils de pales seront prsents la section 1.5 de ce

prsent chapitre.

5

Tableau 1.1 : Caractristiques de laromoteur considr [7]

Paramtres de la turbine olienne

Densit de lair 1,225 kg/m3

Rayon de la turbine 2,05 m

Vitesse optimale du vent 12 m/s

Vitesse maximale du vent 25 m/s

Diamtre de la turbine 4,1 m

Longueur des pales 2,02 m

Hauteur du moyeu 12 m

Type de la turbine olienne upwind

Rotation optimale 346 rpm

Rotation maximale 600 rpm

Puissance maximale 6000 W

Nombre de pales 3

1.4 TAT DE LA RECHERCHE

Il est vident que les turbines oliennes sont des structures complexes quipes de

composants dispendieux et dlicats de ce fait, des mthodes efficaces et rigoureuses doivent

tre mises au point pour ltude et lexprimentation des oliennes. Les modles

daromoteurs, communment appels turbines oliennes, ont bien volu au cours du

temps. Dans les annes 1970, les scientifiques spcialistes dans la conversion de lnergie

olienne en nergie lectrique se sont contents de relations mathmatiques non linaires

exprimant le coefficient de pousse en fonction du vent [8]. Le modle de

Goldstein tait le plus utilis bien que ce modle est beaucoup trop complexe et ncessite

trop de temps de simulation [9]. Dans le cas de ce modle, le couple ou sa valeur moyenne

pouvait tre dtermin avec des lois statistiques ayant pour variable la vitesse du vent.

6

Linteraction entre le vent et les pales du rotor de lolienne tait nglig, cependant, les

modles des gnratrices prsentaient des quilibres dynamiques satisfaisants.

Les difficults de lexploitation de lnergie olienne conduisent beaucoup de

chercheurs dvelopper diffrents types de simulateurs de turbines oliennes du fait de la

diversit des objets de proccupations des projets. Cependant, mme si les configurations

des simulateurs sont distinctes, le problme majeur des mulateurs est que les

caractristiques statiques et dynamiques doivent tre aussi proches que possible de celles

des turbines simules [10] et dont la structure de base est dcrite la figure 1.1. Cela exige,

lors du dveloppement des modles, la prise en compte des lments suivants : le caractre

alatoire du vent, linertie de la turbine et leffet de sillage.

Figure 1.1 : Schma de la transmission mcanique simplifi dune conversion olienne

La plupart des mulateurs oliens sont mis sur pied selon une structure base sur le

moteur courant continu [11-13]. Le choix de ce type de moteur dcoule du fait que le

couple de sortie est une variable proportionnelle au courant des armatures, cest--dire que

la valeur de rfrence pour le courant des armatures est calcule en fonction de la vitesse du

vent et de la vitesse de rotation du rotor. De cette faon, en contrlant le courant, on

contrle le couple arodynamique dvelopp par la turbine sur son arbre. Cependant les

fluctuations du couple ne sont pas prises en compte par ce modle, mme si leffet de

sillage est considr, on peut citer dans ce cas la rfrence [14]. En plus, la diffrence entre

linertie du rotor et celle du moteur courant continu rend imprcise ltude de la vitesse du

vent et des variations de charge sur le rotor. En raison de leur grande taille et de la ncessit

7

deffectuer des maintenances, les balais alimentant lenroulement du rotor en courant

continu subissent des frottements qui entrainent lusure du collecteur bagues et des

charbons. De ce fait, les moteurs courant continu sont de plus en plus abandonns. Dans

la rfrence [15], un onduleur transistors IGBT alimentant une machine asynchrone est

utilis la place du moteur courant continu pour simuler une turbine olienne. Les

auteurs de la rfrence [16] insrent un microcontrleur la structure de lmulateur pour

dterminer le couple sur larbre de la turbine. Un code crit en langage C reprsentant un

gnrateur de vitesse de vent, un modle de turbine olienne et la vitesse de rotation du

moteur asynchrone constituent la structure du simulateur permettant dobtenir le couple

dun arognrateur rel. Un contrle sur les courants du stator et la frquence de rfrence

de londuleur permet daccder une rgulation du couple. Dans lhistorique des

simulateurs, on rencontre des mulateurs usant dun autre type de machine, savoir les

servomoteurs [17, 18]. Par opposition aux machines courant continu, les servomoteurs

sont capables de recevoir des commandes en position angulaire pour tre prcis, ils donnent

une position angulaire larbre reli son axe de rotation [19]. Larticle de la rfrence

[18] donne les dtails dun simulateur qui utilise un modle mathmatique pour transmettre

un couple de rfrence un sous-systme lectromcanique, ce dernier effectue un contrle

en boucle ouverte sur ce couple en corrigeant la frquence de dviation du servomoteur.

Souvent, les turbines sont relies aux gnrateurs par un multiplicateur de vitesse qui

permet de diminuer le couple et daugmenter la vitesse de rotation de larbre. Mais le

multiplicateur constitue une cause daugmentation du cot de lolienne et des

maintenances; en plus, il alourdit la nacelle [20, 21].

En vue de surmonter ces inconvnients du multiplicateur de vitesse, les machines

synchrones aimants permanents (MSAP) sont aussi utilises. Ces machines gagnent en

popularit par leur connexion directe avec la turbine olienne, mais aussi par leur capacit

dauto-excitation permettant un meilleur facteur de puissance [22, 23]. Le choix de ce type

de machines implique lusage de composants dlectronique de puissance afin dobtenir

une source de tension adquate la sortie du systme de conversion olienne. Dans la

rfrence [23], les auteurs ont travaill avec un redresseur, un onduleur triphas et un filtre

8

LC. En maintenant constante la tension du ct continu, celle de londuleur triphas lest

aussi quelle que soit la variation de la vitesse du vent. Dans la revue de littrature des

simulateurs, il apparait plusieurs approches dans la modlisation des turbines oliennes. La

mthode analytique, qui donne lexpression non linaire du coefficient de puissance en

fonction de la vitesse du vent est une des stratgies, cest le cas dans la rfrence [6]. Une

autre faon de faire consiste recourir la thorie de llment de pale afin dimplmenter

un algorithme de calcul ditrations des coefficients dinduction axiale et tangentielle.

Toutefois cette dmarche comporte des difficults, surtout que la question de divergence

dans le calcul des coefficients reste rsoudre; la rfrence [24] illustre cette mthode.

1.5 METHODOLOGIE

Dans le prsent chapitre, il est expliqu la problmatique et les raisons de la mise sur

pied du simulateur de turbine olienne. Pour rsoudre cette problmatique, une tude est

dabord effectue exposant les diffrentes parties de larchitecture des systmes de

conversion olienne existant dans la littrature, une prsentation de la source olienne est

aussi faite. Afin de crer des conditions ralistes, un gnrateur de vitesse de vent est

dvelopp et qui est utilis comme entre du simulateur dvelopp. Aprs avoir examin

laspect physique ncessaire la comprhension de la thorie de llment de pale, une

prsentation du fonctionnement du logiciel PROPID est par la suite effectue.

Ensuite, le simulateur des turbines oliennes est dvelopp en se basant sur une

modlisation arodynamique de ces dernires. La modlisation de la partie arodynamique

de lolienne constitue une partie importante dans la conception des simulateurs de turbines

oliennes. Dans le cadre de ce travail, nous avons adopt le programme PROPID, qui se

base sur la thorie de llment de pale, pour dterminer les performances du rotor. Le code

PROPID sert gnrer les tables de donnes couple-vitesse de la turbine dcrite dans le

tableau 1.1 pour trois types de profils de pales (qui sont les S812, S813 et S814). Ensuite,

grce aux blocs Prelookup dans lenvironnement MATLAB/SIMULINK, une interpolation

9

et une extrapolation de ces donnes sont effectues. Ceci permet dtablir le modle du

simulateur de turbine olienne permettant de gnrer facilement les caractristiques

statiques couple-vitesse.

Par la suite, le simulateur dvelopp est coupl une chane de conversion olienne

dans le but de faire des tests et des validations dans lenvironnement

MATLAB/SIMULINK. Cette chane est constitue dune machine aimants permanents,

dun redresseur, dun hacheur, dune charge et dun systme de commande. La machine

aimants permanents ainsi que les composantes dlectronique de puissance de la

bibliothque SimPowerSystems sont utilises au niveau de la modlisation. De ce fait, un

contrle par la mthode de la recherche du maximum de puissance est ralis. En plus, en

maintenant le courant circulant du cot continu sa valeur de rfrence en utilisant un

hacheur dvolteur, la puissance arodynamique est transfre la charge dune faon

maximale malgr la variation de la vitesse du vent.

1.6 HYPOTHESES ET LIMITES

Afin de restreindre ltude ci-prsente, la modlisation et la simulation de nimporte

quel type dolienne nest pas lobjet du prsent simulateur. Toutefois, lapproche

dveloppe peut tre applique nimporte quel type de turbine olienne. En complment,

lanalyse thorique du rgime de dmarrage ainsi que le contrle des systmes dorientation

et durgence des oliennes ne sont pas considrs. Le calcul des paramtres du rgulateur

PID est effectu uniquement pour le contrle de la vitesse de rotation et de la puissance de

lolienne. Toutefois, on se concentre sur une turbine olienne ayant les paramtres du

tableau 1.1 et qui peut oprer avec une modification des variables suivantes : vitesse du

vent, vitesse de rotation et angle de calage. Dun autre ct, la conception dun logiciel

pour lanalyse du fonctionnement en temps rel du simulateur nest pas effectue.

Cependant, le simulateur sera intgr dans le futur un banc dessai olien dans le

laboratoire LREE et permettra ainsi de faire des tests en temps rel.

10

Lanalyse numrique de leffet des variations temporelles du vent sur les turbines

oliennes par un modle arodynamique ncessite un gnrateur de vitesse de vent. Pour

cela, on postule que le vent est un processus alatoire. La thorie de llment de pale

divise la pale en plusieurs sections dans le but de dterminer leurs caractristiques

arodynamiques. Cependant, bien que la norme de la vitesse du vent nest pas la mme

dans toutes ces sections, on suppose que la vitesse du vent est constante tout au long des

pales du rotor. Pour la machine aimants permanents, les aimants du rotor induisent une

variation de flux au niveau des bobines du stator entrainant lapparition dune force

lectromotrice. La variation du flux ainsi que la force lectromotrice sont toutes

considres comme sinusodales pour le modle de la gnratrice. En plus, la saturation des

matriaux magntiques ainsi que les pertes fer sont considres ngligeables. Il est

considr aussi que les courants statoriques au niveau de la machine constituent un systme

triphas quilibr.

1.7 ORGANISATION DU MEMOIRE

Afin de bien traiter la problmatique, le travail est divis en six chapitres et

sorganise comme suit : aprs une introduction gnrale dans le chapitre 1, une analyse

structurale des systmes de conversion olienne est prsente au chapitre 2. Ce dernier

expose aussi ltude effectue sur la vitesse du vent, qui est considre comme un

processus alatoire, et un gnrateur de vitesse de vent est dvelopp.

Dans le chapitre 3, il est effectu une tude des thories du disque et de llment de

pale puis une description du fonctionnement du code PROPID. Ce code est utilis pour la

modlisation des turbines oliennes la place des modles mathmatiques. Une

prsentation et une explication sont faites sur les diffrentes quations rgissant les thories

arodynamiques telles que la thorie de llment de pale et la thorie du disque.

11

Le chapitre 4 prsente les dtails de dveloppement du simulateur de turbine

olienne. Il prsente aussi la modlisation des diffrents lments constituant la chane de

conversion olienne utilise pour la validation du simulateur dvelopp.

Le chapitre 5, quant lui, est consacr limplantation du simulateur dans le systme

de conversion olien modlis en considrant trois types de profils de pales. Ce chapitre

prsente aussi le dveloppement de lasservissement de lensemble du systme par la

mthode de lextraction du maximum de puissance et le calcul des variables des lois de

commande. Les rsultats de simulation sont aussi exposs et discuts pour la chane de

conversion olienne considre avec ou sans contrle MPPT.

Finalement, au chapitre 6, une conclusion gnrale est prsente qui rsume les

diffrents travaux effectus sur lensemble des chapitres et des recommandations pour les

travaux futurs.

CHAPITRE 2

GENERALITES SUR LEOLIEN

2.1 INTRODUCTION

Avant dexaminer ou de traiter les aspects de la technologie des turbines oliennes, il

est important de prsenter un petit historique de lnergie olienne. La force du vent peut

atteindre une puissance extrmement grande, cest le cas dans les ouragans ou les tornades.

Mme avec des vents moyens, cette force a longtemps assist les humains et a

principalement servi propulser les navires. La puissance du vent est aussi utilise des

fins varies : dans le domaine agricole, pour moudre des grains ou irriguer les champs, mais

encore de nos jours pour produire de llectricit [25]. Lexploitation de lnergie olienne

comme source dnergie lectrique a t nglige pendant un certain temps au profit des

ressources traditionnelles. Cest seulement en 1973 que la plupart des pays dvelopps ont

adopt des politiques pour tre moins dpendants en matire dnergie fossile.

Dimportants programmes de dveloppement des nergies renouvelables ont t instaurs.

Lnergie olienne, qui tait autrefois uniquement transforme en nergie mcanique, est

maintenant convertie en nergie lectrique par le biais darognrateurs. Cette dernire

application est devenue plus accessible grce aux progrs technologiques dans le domaine

dlectronique et dlectrotechnique, mais aussi grce une bonne comprhension des

matriaux. Une premire olienne a t dveloppe dans le sol canadien en 1975 par la

socit Hydro-Qubec, une turbine axe vertical de 40 kW [26].

En dpit du fait que lolien soit restreint aux rgions o le vent souffle assez fort, la

puissance installe a connu une croissance fulgurante au cours des 10 dernires annes. La

puissance installe en 2006 dans le monde tait environ 74 GW (gigawatts), soit 48 GW en

14

Europe, 1 459 MW au Canada et 11,6 GW aux tats-Unis [27]. Selon le Conseil Mondial

pour lnergie olienne, lolien reprsentait 432,4 GW de puissance installe en 2015 avec

un taux de croissance cumulative de 17 %. Compar au solaire, avec 100 GW seulement,

cest la mthode de production dnergie lectrique qui montre la croissance la plus

marquante parmi les nergies renouvelables [28]. Le tableau 2.1 tablit pour 2012 un

classement des pays qui exploitent le plus lolien travers le monde, alors que la figure

2.1 montre la puissance olienne installe dans le monde pour les quinze ans passs.

Ce chapitre prsente les diffrentes structures et configurations des turbines oliennes,

mais aussi une analyse de leurs principes de fonctionnement. Ensuite, il sera montr les

procdures suivies pour dvelopper le gnrateur de vitesse de vent en traitant le vent

comme une variable alatoire. Cela permettra de simuler la turbine olienne modlise dans

des conditions ralistes.

Figure 2.1 : Capacit dnergie olienne (en mgawatt) installe dans le monde durant les

quinze dernires annes [28]

15

Tableau 2.1 : Prsentation des 10 premiers pays en matire dnergie olienne en 2015 [28]

Installation olienne dans le monde

Pays Puissance installe (MW) Pourcentage partag

(%)

Rpublique de Chine 145,104 33,6

tats-Unis 74,471 17,2

Allemagne 44,947 10,4

Inde 25,088 5,8

Espagne 23,025 5,3

Royaume Uni 13,603 3,1

Canada 11,200 2,6

France 10,358 2,4

Italie 8,958 2,1

Brsil 8715 2

Reste du monde 66,951 15,5

Total des 10 premiers pays 365,468 84,5

Total mondial 432,419 100

2.2 CLASSIFICATION DES EOLIENNES SELON LES CONFIGURATIONS ET LES PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT

Une olienne (du grec ole qui reprsente le matre du vent) est un dispositif

destin convertir lnergie cintique du vent en puissance mcanique. Les turbines

oliennes les plus rpandues sont composes de pales en rotation autour du rotor. Sous

laction du vent, cette rotation entraine un systme produisant de llectricit. Les oliennes

sont classes en deux grands types de turbines oliennes tel que prsent dans la figure 2.2 :

celles axe vertical (VAWT) et celles axe horizontal (HAWT). Dautres configurations

plus mythiques (profils oscillants, aube mobile, profil en translation) ont t cres, mais

elles nont jamais abouti une quelconque industrialisation.

16

Figure 2.2 : olienne axe horizontal et olienne axe vertical [29]

2.2.1 Arognrateur axe vertical

Le principe des turbines oliennes axe vertical utilise une technologie bien ancienne

qui date de plus de 4000 ans, le rotor tourne autour dun axe vertical la diffrence des

arognrateurs axe horizontal. Il existe deux principales catgories doliennes axe

vertical : les types Darrieus et les types Savonius. Deux diffrents principes sont mis en

uvre par ces types de machines, soit la trane diffrentielle et la variation cyclique

dincidence. Gnralement, une olienne axe vertical se compose dun rotor avec

plusieurs pales, dun multiplicateur de vitesse ainsi que dune gnratrice situe le plus

souvent au sol.

2.2.1.1 Traine diffrentielle (type Savonius)

Le fonctionnement de base de ce genre daromoteur est pratiquement semblable

celui dun anmomtre : lcoulement de lair sur deux corps en forme de demi-cylindre

gnre des forces diffrentes sur ces deux corps, une grande force dans le sens de

lcoulement et une autre force plus faible en sens oppos. Comme le montre la figure 2.3,

la force de traine est plus intense dans la zone concave que dans la zone convexe. Il en

17

rsulte alors un couple moteur qui met en rotation le rotor, ce couple est appliqu un

gnrateur afin de produire du courant lectrique. La reproduction de cette technologie est

le rotor de type Savonius, du nom de son inventeur finlandais Johannes Savonius qui la

brevet vers la fin des annes 1920 [30].

Figure 2.3 : Rotor olien de type Savonius [31]

2.2.1.2 Variation cyclique dincidence (type Darrieus)

Tout comme la thorie de llment de pale, la variation cyclique dincidence repose

sur les caractristiques arodynamiques des profils des pales. Alors que la traine

diffrentielle sappuie sur une diffrence dintensit de force applique de part et dautre

dun objet, le principe de la variation cyclique dincidence se rapporte une autre ide. Les

profils de cette configuration sont placs de manire ce quils fassent des angles

dincidence par rapport au sens de lcoulement de lair, afin de gnrer des forces

dintensit et de direction diffrentes. partir des forces de portance, qui apparaissent sur

les profils, il va rsulter un couple moteur qui fera tourner le rotor. Comme le montre la

figure 2.4, cela dfinit la notion sur laquelle sappuie le fonctionnement des oliennes de

type Darrieus qui ont t inventes et brevetes en 1931 par le franais George Darrieus,

ingnieur en aronautique.

18

Figure 2.4 : Principe de fonctionnement dun rotor olien de type Darrieus [32]

2.2.1.3 Avantages et inconvnients des arognrateurs axe vertical

Plusieurs facteurs ont jou en faveur des machines axe vertical et il nest pas

tonnant de constater que leur exploitation a volu de plus en plus. Selon lauteur de la

rfrence [33], de nos jours, plusieurs universits dirigent encore leurs recherches vers le

dveloppement de ce type dolienne prcisment pour amliorer le design, surtout au

niveau urbain. Parmi les facteurs en faveur de ces machines, on peut citer le fait quelles

sont faciles construire et scuritaires. Il faut aussi noter que les oliennes axe vertical

sont gnralement implantes mme le sol. Cet aspect leur confre plus daptitudes, par

rapport aux turbines oliennes axe horizontal, cest--dire la capacit supporter les

turbulences du vent et tre aussi insensibles la direction du vent.

Par contre, du fait de leur faible rendement par rapport aux oliennes axe horizontal

[34], en plus de la surface occupe au sol, leur utilisation convient mieux un usage

domestique. Les deux principes de fonctionnement intrinsque des turbines oliennes axe

19

vertical font appel la rotation des pales, cela indique que laromoteur ne possde pas de

dmarrage autonome. Il est donc ncessaire de disposer dun systme damorage.

2.2.2 Arognrateur axe horizontal

Les oliennes axe horizontal sont les plus rpandues. linstar des moulins vent,

les pales du rotor sont places de faon capter lcoulement de lair et servent gnrer

un couple de rotation, ce dernier est utile pour entrainer une gnratrice qui produit de

llectricit. Plus rentables, moins encombrantes au sol et parfaitement autonomes au

dmarrage, ces oliennes munies gnralement de trois pales peuvent dlivrer des

puissances lectriques de plusieurs mgawatts. Tout comme les machines axe vertical, les

turbines oliennes axe horizontal se classent aussi en deux grandes catgories comme le

montre la figure 2.5 : les turbines en amont et celles en aval du vent.

Figure 2.5 : Les deux configurations doliennes axe horizontal (Upwind pour type amont et

Downwind pour type aval) [35]

Les oliennes en amont du vent ont leurs pales places devant la tour et constituent, la

base, le design de la majeure partie des turbines oliennes. Celles-ci ont lavantage de ne

pas avoir un vent perturb dans son incidence par la tour. Toutefois, cette configuration

exige des pales rigides, places une certaine distance de la tour, pour viter toute collision

20

de celles-ci avec la tour. En plus, du point de vue performances, laromoteur de ces

oliennes ncessitent un systme dorientation pour faire face au vent.

Contrairement aux oliennes en amont du vent, les oliennes en aval du vent ont la

surface de leur rotor incline, ce qui leur permet de sorienter automatiquement sous le

vent. Elles ont lavantage de ne pas sencombrer de dispositif dorientation, dans la mesure

o une turbine de cette configuration est capable de se diriger en conformit avec

lcoulement de lair. En plus, les turbines en aval du vent sont construites avec des pales

plus flexibles, mais linconvnient cest que la prsence de la tour affecte lincidence du

vent sur les pales, ce phnomne est aussi appel effet dombre de la tour.

Comme le montre la figure 2.6, de manire gnrale, on peut considrer que

lolienne, de type amont, est compose de quatre grandes parties : la fondation, la tour, la

nacelle puis le rotor.

La fondation : elle a pour but de maintenir en quilibre la tour, elle est assise sur un

sol homogne. La fondation est gnralement constitue entirement de bton

coul;

La tour : son rle est de maintenir en hauteur la combinaison rotor-nacelle de sorte

que leffet de turbulence du vent, qui se fait ressentir prs du sol, naffecte pas la

production des oliennes. La tour participe ainsi une optimisation dnergie

capte. On distingue trois types de tours : la tour en treillis, celle en hauban et celle

tubulaire ;

La nacelle : elle sert de logement au systme de conversion de lnergie mcanique

de rotation en nergie lectrique. Le systme intgre plusieurs lments dont le

gnrateur, le multiplicateur, le dispositif dorientation, le frein et le contrleur ;

Le rotor : le rotor dune olienne axe horizontal est une hlice constitue de trois

pales en gnral, lutilisation du rotor trois pales est prdominant dans lensemble

des machines de puissance suprieure 30 kW et reprsente environ 80 % du

21

march mondial [30]. Les pales de laromoteur tournent autour dun axe

horizontal, savoir le moyeu.

Figure 2.6 : Illustration des diffrentes parties dune olienne [36]

2.2.3 Machines lectriques

La structure dun systme de conversion olienne comprend principalement une

machine lectrique (gnratrice), une composante qui permet de transformer lnergie

mcanique en nergie lectrique. Son choix dpend de plusieurs paramtres tels que la

puissance dsire et le domaine dapplication. Parmi les types de machines considres au

niveau olien, on distingue les machines courant continu, les machines synchrones et les

machines asynchrones.

2.2.3.1 Machines courant continu

Ce type de gnrateur est utilis pour de faibles puissances, il peut remplir les

exigences de base comme chargeur des batteries et daccumulateurs. Le courant continu est

22

obtenu par lutilisation dun systme de redressement naturel des tensions de linduit

(systme collecteur-balais). Durant ces dix dernires annes, ces machines taient les

gnratrices de base des simulateurs oliens. Cependant, du fait de leurs grandes

dimensions et de la ncessit de maintenance, elles sont de plus en plus abandonnes dans

le domaine olien [10].

2.2.3.2 Machines synchrones

Le terme synchronisme peut sexpliquer comme suit : un aimant tourne autour

dune boussole (aiguille aimante), cette dernire se met en rotation avec la mme vitesse

que celle de laimant. Les machines synchrones regroupent tous les dispositifs dont la

vitesse de rotation de sortie est gale la vitesse de rotation du champ tournant. Il existe

deux types de machines synchrones qui sont gnralement utilises au niveau des

oliennes. Ce sont : les machines synchrones rotor bobin et les machines synchrones

rotor aimants permanents (MSAP). Les machines synchrones aimants permanents sont

plus avantageuses que les machines asynchrones pour les faibles puissances; parmi ces

avantages, on peut citer un meilleur rendement et un plus grand facteur de puissance [22].

En plus, contrairement aux machines asynchrones, il peut tre intressant dutiliser un

nombre lev de ples afin dliminer la bote de vitesse. Cette configuration est appele

transmission directe ou attaque directe (sans bote de vitesse). Cette stratgie rduit les

pertes mcaniques et le bruit que peut crer une bote de vitesse [4]. Les intrts de la

machine synchrone et la facilit dutiliser des convertisseurs statiques dlectronique de

puissance pour rcuprer le maximum de puissance dune turbine olienne font que notre

choix est port sur cette gnratrice pour la validation du simulateur olien dvelopp au

niveau de ce mmoire.

23

2.2.3.3 Machines asynchrones

Comme les autres machines, la machine asynchrone peut fonctionner en gnratrice

dans les oliennes pour la production de lnergie lectrique. Il existe deux types de

machines asynchrones : les machines asynchrones rotor bobin et les machines

asynchrones cage dcureuil. Les machines asynchrones sont de loin les plus utilises

dans lindustrie et mme dans les oliennes vitesse variable [23]. Dans son

fonctionnement, la machine asynchrone fonctionnant en moteur est alimente au stator (au

niveau des bobines) par un rseau alternatif triphas, ces bobines crent un champ tournant

une certaine vitesse. Le fonctionnement en gnratrice est semblable celui du moteur

sauf que la machine doit tre excite au stator. La vitesse de rotation du champ tournant est

proportionnelle la frquence du courant alternatif par la relation suivante :

(2.1)

O est la vitesse de rotation du champ statorique (en RPM), est la frquence du

courant (en Hz) et est le nombre de ples.

Le rotor de la machine asynchrone (rotor bobin ou cage dcureuil) soumis laction

du champ tournant au stator gnre un autre champ magntique tournant la mme vitesse

que celui du stator. Linteraction entre ces deux champs magntiques permet de crer le

couple de la machine selon lquation suivante :

(2.2)

O est le champ tournant statorique et est le champ induit rotorique.

Le couple cr donne une acclration au mouvement de rotation du rotor jusquau

point dquilibre de lentranement.

24

2.3 REPRESENTATION DE LA SOURCE EOLIENNE

2.3.1 Potentiel olien

Avant dexaminer le fonctionnement du simulateur, il convient tout dabord de se

pencher sur la source mme de lnergie olienne : le vent. En effet, la croissance de

lusage des turbines oliennes va de pair avec la ncessit davoir des simulateurs oliens

qui permettent de reproduire, peu prs et le plus fidlement possible, les mmes rsultats

quune olienne relle. La capacit dtablir une bonne estimation des performances dun

systme de conversion olienne passe par une excellente description des variations du vent.

Il existe des mthodes pour caractriser le potentiel nergtique olien, en rcoltant sur un

certain site des donnes de vitesses de vent par intervalle de temps et pour une dure

donne. Ces donnes permettront de caractriser un site en dterminant les paramtres de la

distribution de Weibull. Ces paramtres sont importants en matire de bonne gestion de

projet dimplantation dolienne, mais ne donnent aucun renseignement sur la variation

temporelle de la vitesse du vent.

La rgion de lespace, pour une hauteur infrieure 100 m, o les forces de

frottement causes par la rugosit du sol sont importantes, est nomme la couche

limite [37]. Une des reprsentations des fluctuations temporelles de la vitesse du vent au

niveau de la couche limite est le modle de Van der Hoven. Cette modlisation est

schmatise la figure 2.7. Celle-ci indique la frquence dapparition des pics les plus

importants agissant sur la variation de la vitesse du vent. Ce modle permet didentifier les

deux composantes de la vitesse du vent : la composante lente (basse frquence) et la

composante turbulente (haute frquence) [38].

25

Figure 2.7 : Spectre de la vitesse du vent de Van der Hoven [39]

Dans le souci de placer notre simulateur dans les conditions les plus proches de la

ralit, il est ncessaire de considrer le vent comme un processus alatoire non

stationnaire. Un gnrateur de vent alatoire a t dvelopp dans le but davoir un

simulateur capable de reproduire le comportement dun arognrateur. Pour crer ce

gnrateur, il faut tudier le vent comme un processus stochastique compos de deux

parties : la vitesse moyenne du profil de vent et une partie turbulente qui oscille autour de

cette moyenne.

2.3.2 Turbulence

La turbulence est une fluctuation rapide de la vitesse du vent, gnralement pour une

dure infrieure 10 minutes. Le spectre de turbulence dcrit les variations de la vitesse du

vent dans le domaine frquentiel. Il existe plusieurs formulations de la densit spectrale du

vent, deux reprsentations du spectre de la turbulence sont communment utilises pour des

simulations numriques du vent le spectre de Von Karman et celui de Kaimal dfinis

comme suit :

Le spectre de Von Karman [40]

26

(2.3)

Le spectre de Kaimal [40] :

(2.4)

O dsigne la longueur de la turbulence en mtre. Tout comme la longueur de la

turbulence, lintensit de la turbulence est un facteur adimensionnel qui permet de

mesurer le degr de turbulence et qui est fonction de la vitesse moyenne du vent . Le

paramtre est dfini par :

(2.5)

Les paramtres dynamiques, lintensit et la longueur de la turbulence peuvent tre

calculs ou simuls par des standards. Par exemple, lorganisme Danish Standard National

dfinit ces paramtres par [25] :

(2.6)

(2.7)

Le paramtre reprsente la hauteur en mtres laquelle est calcule la vitesse du vent

alors que le paramtre reprsente la longueur de rugosit du sol en mtres (voir le

tableau 2.2 pour des exemples).

27

Tableau 2.2 : Diffrentes longueurs de rugosit en fonction des terrains

Proprits du sol

Terrains Index nergtique (%) Longueur de

rugosit (m)

Plan deau 100 0,0002

Terrain plat 73 0,00024

Champs dcouverts 52 0,03

Zone rurale avec haie 45 0,055

Grande ville avec tours 13 1,6

Larticle dA.D. Diop [41] conoit le principe de gnration de vitesse du vent

comme un processus alatoire non stationnaire. Le choix est port sur la mme dmarche

de cet article et qui est illustre par la figure 2.8. Cette dmarche consiste ajouter une

vitesse moyenne du vent, qui est la composante lente, une perturbation qui nest rien

dautre que sa composante rapide. Dans le souci dlaborer un modle reprsentatif de

lquation (2.3), la perturbation est gnre laide dun bruit blanc qui passe par un filtre

rationnel. La fonction de transfert du filtre rationnel dduite du spectre de Von Karman est

dfinie par :

(2.8)

Le filtre est caractris par son gain et sa constante de temps , ces paramtres

peuvent tre dtermins par les relations (2.9) et (2.10) suivantes. La prsence de la

puissance (5/6) au niveau du dnominateur de la fonction de transfert du filtre rationnel

rend difficile limplantation du filtre dans lenvironnement Simulink. Une approximation

dordre rationnel simpose alors pour la simulation de la composante turbulente du vent

[42].

28

(2.9)

(2.10)

Le paramtre correspond la frquence dchantillonnage du signal (fluctuation rapide)

et correspond la fonction mathmatique du mme nom. Pour un point fixe de rfrence

correspondant au spectre de Von Karman, une bonne approximation du filtre rationnel de

second ordre est produite [25] et exprime par la relation suivante :

(2.11)

O les constantes prennent les valeurs typiques suivantes [25]: et . Il

est aussi ncessaire dajuster la variance du site choisi pour la simulation en faisant un

produit de la vitesse moyenne avec lintensit de la turbulence.

2.3.3 Modle de gnration de vitesse du vent

Aprs avoir nonc les variabilits caractrisant le vent, un gnrateur de vitesse de

vent est mis au point pour donner une bonne description des variations long et moyen

terme du processus alatoire quest la vitesse du vent. La figure 2.8 illustre la constitution

du gnrateur de vitesse du vent. Le bruit blanc produit est filtr par le signal du filtre

rationnel caractris par ses paramtres et , le produit de la sortie (filtre) avec la

dviation standard est additionn la vitesse moyenne. La figure 2.9 illustre la variation

du profil de vent et les paramtres du gnrateur qui sont les suivants :

29

Hauteur : 12 m

Variance : 1.7

Rugosit : 0.0024

Figure 2.8 : Diagramme de gnration de vitesse du vent

30

Figure 2.9 : Exemple de profil de vent gnr sous Matlab/Simulink ayant une vitesse

moyenne de 10 m/s

2.4 CONCLUSION

Dans ce chapitre, une brve description des types doliennes, de leurs diffrentes

configurations ainsi que les principes de fonctionnement ont t prsents. Par ailleurs, une

tude de la ressource olienne a permis de mieux comprendre la variable alatoire de

lolien : le vent. Le modle de gnration de vitesse du vent dvelopp et prsent dans

cette section prend en compte les fluctuations dynamiques du vent agissant sur le rotor de

lolienne. Ce gnrateur aide placer le simulateur dans les conditions les plus ralistes.

La suite est danalyser la dmarche de modlisation des turbines oliennes adopte dans ce

mmoire pour le dveloppement du simulateur savoir la thorie de llment de pale.

CHAPITRE 3

THORIE AERODYNAMIQUE DES TURBINES EOLIENNES

3.1 INTRODUCTION

Ce chapitre prsente les dtails dune approche analytique pour la modlisation

arodynamique des turbines oliennes. Les mthodes de calcul existantes permettent

dtudier les aromoteurs axe horizontal mais elles fournissent aussi une prdiction des

performances de ces machines. Ltude de larodynamisme des turbines oliennes se fait

principalement selon deux thories : la thorie du disque et la thorie de llment de pale.

Ainsi, ce prsent chapitre offre un bref survol de ces deux thories qui sont plus dtailles

au niveau du livre de la rfrence [43]. Il expose aussi le fonctionnement du logiciel

PROPID bas sur la thorie de llment de pale. Les nouveaux dveloppements de ce

travail de recherche seront exposs au prochain chapitre.

3.2 THEORIE DU DISQUE

Pour ltude arodynamique des turbines oliennes, il convient tout dabord de se

pencher sur lanalyse du modle de turbine avec un rotor idal avant dexaminer en dtail la

pale divise en plusieurs lments. La turbine olienne a pour fonction de transformer,

laide de sa composante arodynamique qui dsigne le rotor, lnergie cintique du vent en

une nergie de rotation et cette dernire est utilise son tour par une gnratrice pour

fournir une puissance lectrique. Par une modlisation simple, si on se rfre aux travaux

de Betz (1926), on peut dterminer la puissance de sortie dun rotor idal, mais aussi la

force de traine du vent sur le rotor [43]. La thorie du disque est une tude analytique

32

permettant de dterminer les champs de pression et de vitesse de part et dautre dune

turbine olienne comme le montre la figure 3.1.

Figure 3.1 : Exemple de la forme gnrale des champs de pression et de vitesse [44]

Cette premire approche consiste tudier la quantit dnergie capte par le rotor en

observant la diffrence entre la quantit dnergie incidente sur le disque en question et

celle qui le traverse. Comme moyen dtude, elle peut nous permettre dentamer une

discussion sur les limites de performances et sur le coefficient de puissance et le coefficient

de traine des oliennes, mais elle ne constitue en aucun cas un outil pour le

dimensionnement dune olienne.

Cette dmarche met en relation les vitesses et les pressions loin en amont puis loin en

aval. En examinant le contrle de volume comme le montre la figure 3.2, le rotor de la

33

turbine olienne est remplac par un disque plein en se basant sur les suppositions

suivantes [43] :

Absence de frottement ;

coulement de lair incompressible, homogne et stationnaire ;

Nombre de pales infini (disque plein) ;

Sillage sans rotation ;

Traine uniforme sur la surface du disque ;

Pression statique en amont et en aval gale la pression atmosphrique.

3.2.1 Force axiale

Trois facteurs importants dterminent le rendement entre lnergie du vent et

lnergie capte par le rotor. Ces facteurs sont la densit de lair , la surface balaye par le

rotor et la vitesse du vent . La puissance brute et totale disponible dans le vent peut

sexprimer comme suit :

(3.1)

En considrant le contrle de volume entourant le rotor de la turbine, on peut

appliquer les quations de Bernoulli en considrant les hypothses cites prcdemment. La

figure 3.2 illustre un rotor idal reprsent par une turbine olienne avec un nombre infini

de pales. On peut dabord appliquer le thorme dEuler en ngligeant leffet de la

pesanteur sur le modle.

34

Figure 3.2 : Modle de disque pour un rotor dolienne [45]

La variation de pression est lie celle de la vitesse dun lment de fluide

par lgalit :

(3.2)

En intgrant lgalit (3.2) entre deux points du volume de contrle, on obtient :

(3.3)

(3.4)

Do lon tire la diffrence de pression :

(3.5)

En introduisant le flux massique ainsi que son quation de continuit applique aux

quations (3.3) et (3.4), on peut trouver une relation assez intressante (3.6).

(3.6)

Cette galit montre que, pour le modle de la thorie du disque, la vitesse sur le plan

du rotor est la moyenne de la vitesse du vent lentre et la sortie du domaine dtude du

modle de disque. Par dfinition, linduction axiale est donne par la relation :

35

(3.7)

En introduisant le coefficient dinduction axiale dans lquation (3.6) et en supposant

que la vitesse du vent juste en amont du rotor est la mme que celle juste en aval et que les

pressions loin en amont et en aval sont identiques (tel que les auteurs de la rfrence [43]

lont nonc), on obtient les relations (3.8) et (3.9).

(3.8)

(3.9)

La puissance lmentaire rcupre par la turbine olienne devient la diffrence entre

lnergie cintique en amont et celle en aval du rotor de la turbine si on prend une surface

lmentaire sur le rotor. Cette puissance est exprime par :

(3.10)

En rappelant la puissance disponible dans le vent dans (3.1), les performances dune

turbine olienne sont dtermines par des nombres adimensionnels appels coefficient de

puissance, not , et coefficient de traine, not . Ces coefficients sont dfinis comme

suit :

(3.11)

(3.12)

36

3.2.2 Puissance maximale et limite de Betz

La quantit dnergie rcupre par le rotor est proportionnelle la vitesse

dcoulement de lair lors de la traverse du rotor. Il suffit de prendre pour exemple le cas

o toute lnergie du vent est capte : cela entranerait un arrt du mouvement de lair au-

del du rotor, vnement physiquement impossible en pratique. La thorie globale de

laromoteur axe horizontal a t introduite en premier par les auteurs de la rfrence [46]

dans les annes 1930. Daprs leurs hypothses, puisque le coefficient est un rendement

arodynamique, il est intressant de dterminer son maximum afin de connatre la

puissance maximale susceptible dtre extraite de lair. la figure 3.3, un graphique tir de

lorganisme Danish Wind Industry Association (Association danoise de lindustrie

olienne) illustre pour diffrentes vitesses de vent la distribution dnergie olienne (densit

de puissance) disponible et rcuprable pour un site donn. Dans cette figure, la puissance

totale disponible dans le site olien est reprsente (troisime courbe au-dessus laxe

horizontal), la puissance thoriquement rcuprable est reprsente (seconde courbe au-

dessus de laxe horizontal), tandis que la puissance rellement rcuprable par une olienne

sur ce site est illustre (premire courbe au-dessus de laxe horizontal). La densit de

puissance est calcule par les auteurs de la rfrence [47] sur un site o la vitesse moyenne

du vent est 7 m/s et le paramtre de Weibull k est gal 2. Le paramtre k est une des

principales variables permettant de dfinir la distribution de Weibull. Cette distribution

peut tre utilise pour modliser des processus alatoires comme la vitesse du vent et est

bien dtaille dans la thse de J.L Retiveau [48]. Laire de la courbe en bleu donne une

reprsentation de la limite tablie par la loi de Betz en relation avec le coefficient de

puissance dcrit par lquation (3.12). Cette limite peut tre obtenue partir de :

(3.13)

Cette valeur limite est obtenue pour a=1/3 qui correspond une valeur du coefficient de

puissance tel que :

37

(3.14)

Cette valeur maximale est appele limite de Betz, il sagit dune limite thorique. En

pratique, cette valeur nest toujours pas atteinte par les turbines oliennes conues de nos

jours en raison :

De leffet de sillage juste en aval du rotor ;

Du nombre limit des pales ;

Des pertes de puissance lextrmit des pales.

Figure 3.3 : Densits de puissance pour un site olien des vitesses de vent variables [47]

La figure 3.4 prsente la variation du coefficient de puissance et du coefficient de

traine en fonction de linduction axiale . Ces courbes sont traces en appliquant les

quations (3.11) et (3.12). Comme le montre cette figure, le coefficient de puissance passe

par son maximum pour un coefficient dinduction axiale a = 0,333 et prend la valeur de Cp

= 0,593, plus prcisment 16/27. Le coefficient de traine quant lui prsente un maximum

de Ct = 1 pour a = 1/2. Toutefois, si on se rfre lquation (3.9), une valeur de a = 1

38

donnerait une vitesse de vent ngative la sortie, ce qui est physiquement impossible. Cest

pour cette raison que la thorie du disque est valide uniquement pour des valeurs du

coefficient dinduction axiale comprises entre 0 et 1/2.

Dans la thorie du disque, le nombre de pales, langle de calage, qui est langle entre

laxe longitudinal du profil arodynamique et la direction de la vitesse du vent relative, et

les profils arodynamiques ne sont pas pris en considration. Ltude de ces diffrents

paramtres permettra davoir une approche beaucoup plus raliste.

Figure 3.4 : Variation des coefficients de puissance et de traine en fonction de linduction

axiale a

3.3 THEORIE DE LELEMENT DE PALE

Dans la prcdente thorie, beaucoup dhypothses ont t formules. En effet, leffet

de sillage qui est leffet de rotation de lcoulement dair la traverse du rotor a t

nglig, alors quen ralit, la conservation du moment cintique impose que le mcanisme

du fluide doit tre un mouvement de rotation au-del du rotor de la turbine olienne pour

gnrer un couple utile. Des mthodes plus avances en modlisatio

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DÉVELOPPEMENT D’UN SIMULATEUR NUMÉRIQUE …semaphore.uqar.ca/1265/1/Moussa_Traore_septembre2016.pdf · L’installation d’une éolienne pour effectuer des tests ... l’élément