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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou

Facult de Gnie Electrique et dInformatique

Mmoire de Magisteren

Electrotechnique

OptionEntranements lectriques

Prsent par

Melle BRIHMAT Fouzia

Ingnieure dEtat en Electrotechnique,de luniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou

Portant sur

L

Soutenu le 03/07/2012, devant le jury compos de :

M. CHABI RachidM. MALEK Ali

M. LARBS Cherif

M. MOHELLEBI Hassane

M. NEDJAR Mohammed

2011/2012

Professeur (UMMTO)Matre de recherche A (CDER)

Professeur (ENP dAlger)

Professeur (UMMTO)

Professeur (UMMTO)

PrsidentRapporteur

Examinateur

Examinateur

Examinateur


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Titre

Rsum

En rgions isoles, le gnrateur diesel constitue la source principale dnergie lectrique. Or, le prix

dextension du rseau lectrique pour ces rgions savre prohibitif et le surcot de lapprovisionnement encombustible augmente radicalement avec lisolement. Dans ce contexte, linterconnexion de plusieurs sourcesdnergie renouvelable (oliennes, panneaux photovoltaques, petites centrales hydrolectriques. etc.) dans unSystme dEnergie Hybride (SEH) peut avoir une incidence profitable sur la production dnergie lectrique entermes de cot et de disponibilit.

Ainsi, ce travail de mmoire prsente une contribution lanalyse du comportement et la matrise desperformances dun SEH constitu par deux sources dnergie renouvelable, photovoltaque et olienne, associes un gnrateur diesel, des batteries de stockage et une technologie de commande.

Le systme est tudi sur la base de deux aspects : dimensionnement et, maximisation de lutilisation desressources renouvelables.

Le dimensionnement sest fait sur deux logiciels, Homer et PVsyst avec le non-apport du gnrateur diesel dans cesecond cas.

Les ressources renouvelables sont alatoires. Situation en mesure de mettre en pril lefficacit nergtique

vis--vis dune certaine exigence de la demande.

Alors, afin de maximiser les performances des systmes dnergie renouvelable il est ncessaire de

poursuivre le point de puissance maximale MPPT , de la source dentre, tude tablie sous lenvironnementMatlab/Simulink.

-

Pour amliorer le rendement de conversion de lnergie photovoltaque, une nouvelle mthode de poursuite dupoint de puissance maximale en utilisant la thorie floue est propose. Elle est base sur des rgles linguistiquesappliques au hacheur type Boost.

- Pour le systme olien, la maximisation est assure en considrant la courbe de puissance optimale comme

caractristique de charge, avec connaissance de la caractristique de la voilure ( )pC .

Mots cls

Systme dEnergie Hybride, Photovoltaque, Eolien, dimensionnement, simulation, MPPT, Convertisseur DC-DC,

contrleur flou, caractristique de charge optimale.

Title

Abstract

In remote areas, diesel generator is the main source of power supply.However, the cost of grid extensionis and probably still continues to be prohibitive and the fuel cost increases severely with the remoteness. In thiscontext, the combination of several energy sources (wind turbines, photovoltaic panels, small hydroelectric power

plants, etc.) in a Hybrid Power System (HPS) may be very attractive in term of cost and availability.

So, the work introduced in the current thesis is a contribution to the behaviour analysis and theperformances control of an HPS constituted by two renewable energy sources, photovoltaic and wind ones, linked

to diesel generator, batteries and a command technology.


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The system is studied according two aspects: sizing and maximizing the use of renewable resources.

Sizing is established on two software, Homer and PVsysts without contribution of the diesel generator in thissecond case.

Renewable resources are in constant fluctuation. This situation could put in peril the energizing efficiency

towards a given demand requirement.

Therefore, in order to maximize the efficiency of the renewable energy system, it is necessary to track the

maximum power point of the input source, a study established under MATLAB/Simulink platform.

- To improve photovoltaic energy conversion efficiency, a new Maximum Power Point Tracker (MPPT) using

fuzzy set theory is proposed.Its based on linguistic rules applied to control step-up converter for MPPT.

- For the wind system, the maximizing is assured while considering the optimal power curve as load

characteristic, with the knowledge of the turbine characteristic ( )pC .

Keywords

Hybrid Power System, Photovoltaic, wind, sizing, simulation, MPPT, DC-DC Converter,

fuzzy controller, optimal load characteristic.

.

. .

.

, , .

.

HOMERPVsyst .

. .

. MATLAB/Simulink.

- -.

-

( )pC .

MPPT - .


4/334

Lencre du savant est plus sacre que le sang du martyr[Hadith du Prophte (PBDL)]

Au terme de ce travail, je tiens, tout dabord remercier:

M. A. MALEK, matre de Recherche au CDER et responsable de la division Solaire Photovoltaque ausein de la mme institution davoir accept la direction scientifique de ces travaux de mmoire. Je lui

exprime toute ma gratitude pour son exprience, son art de la multi - comptences, son soutien

inconditionnel et surtout limmense confiance quil ma prodigu ;

Un merci et un clin dil particulier M. S. MEKHTOUB, matre de confrences lEcole Nationale

Polytechnique dAlger, exerant au Dpt dElectrotechnique, ses qualits humaines, dans toutes leurs

dimensions mont normment touche ;

Et cest ce mme titre que je tmoigne M. A. TALHA, professeur lUSTHB dAlger, toute magratitude de navoir aucunement mnag savoir-faire, comptence et surtout du prcieux temps au service

dun premier jugement de ce travail. Je le remercie normment pour ses conseils et remarques ;

Je remercie M.M. M.S. AIT CHEIKH et C. LARBES, matres de confrences lEcole Nationale

Polytechnique dAlger, exerant au Dpt dElectronique, de mavoir guide dans les mandres de

llectronique, leur simplicit autant que leur savoir-faire mont bel et bien marque ;

Merci tout le personnel qui ma bien accueilli pendant mon sjour aussi bien CDER qu lENP

(chercheurs, ingnieurs, techniciens, informaticiens, secrtaires, cuisiniers et gardiens).

Je cite spcialementM. M. KACI, ingnieur de maintenance au sein de CDER .

Je remercie tous les membres de jury pour le temps quils ont accept daccorder lvaluation de

ce travail de mmoire, je cite:

M. R. CHAIBI, professeur Universits Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, pour mavoir fait lhonneur de

prsider le jury de soutenance ;

MM. M. NEJDAR, et H. MOHELLEBI, tous deux professeurs lUniversits Mouloud Mammeri de Tizi-

Ouzou ainsi queM.C.LARBES, pour leur participation au jury de soutenance en qualit dexaminateurs.

Je remercie particulirementM. MOHELLEBI ainsi queM. A. DICHE, maitre assistant lUMMTO, qui

mont transmis le sens dun travail de mmoire,minutieet implication y sont les seuls mots dordre.

Merci toutes les personnes dont je ne citerai les noms. A celles qui ont su redonner espoirs sans mmequelles le sachent, lorsquon se sent au plus bas, par un petit mot ou un simple geste. Merci pour leur

sympathie et simplement pour le plaisir que jai eu les ctoyer au quotidien, malgr mes humeurs parfois

insoutenables, faute de la pression du travail, je lavoue.

Merci mes parents, mes deux voies/voix de sagesse et de lamour, ainsi qu toute ma famille.

J'affirme que le sentiment religieux cosmique est le motif le plus puissant et le plus

noble de la recherche scientifique.

[Albert Einstein]

Extrait de Ideas and Opinions

Fouzia BRIHMAT


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Sommaire

Introduction

I.1 Prsentation du systme hybride

I.1.1 Les diffrentes configurations des systmes hybrides

I.1.1.1 Architecture bus CC

I.1.1.2 Architecture mixte bus CC/CA

I.2 Problmes rencontrs dans le fonctionnement des SEH

I.3 La production olienne

I.3.1 Transformation de lnergie du vent et du soleil en lectricit

I.3.1.1 Historique de lolienI.3.1.2 Conversion de lnergie olienne

I.3.2 Chanes de conversion lectrique

I.3.2-1 Systmes coupls au rseau alternatif

I.3.2.2 Systmes en sites isols

I.3.3 Insertion des oliennes dans le paysage

I.4 La production solaire photovoltaque

I.4.1 GnralitsI.4.2 Principe de fonctionnement

I.4.3 Protections classiques dun GPV

I.4.4 Les diffrentes technologies de fabrication des cellules

I.4.5 Les diffrents types de systmes PV

I.4.6 Caractristiques statiques des panneaux

I.4.7 Limites pratiques et atouts des systmes PV

I.5 Gnrateur diesel

I.5.1 Rserve tournante

I.5.2 Temps de fonctionnement minimal

I.5.3 Hystrsis

I.6 Dispositifs de stockage de lnergie

I.6.1 Autonomie et dimensionnement des batteries

I.6.2 Dtermination de la capacit dun accumulateur

I.6.3 Choix de la technologie

I.6.4 Tableau comparatif des diffrentes technologies

I.6.5 Etat de charge EDC (SOC) de la batterie

I.6.6 Rendement

I.6.7 Cycles et dures de vie

I.6.8 Gestion du stockage

I.7 Le rgulateur de charge

I.7.1 Rgulateurs MPPT

I.7.2 Principe de fonctionnement dun rgulateur de charge

I.7.3 Comparaison des diffrentes technologies de rgulateurs

Chap. I Dfinition du Systme dEnergie Hybride

Introduction gnrale

Prsentation du Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables

1

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59

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Sommaire

I.8 Convertisseurs

I.9 Charges

I.10 Cot dune installation PV

Conclusion

II

Introduction

II.1 Le rayonnement solaire

II.1.1 Ses composantes

II.1.2 La masse dair AM Air Mass

II.1.3 Units utilises

II.1.4 Instruments de mesure

II.2 Etapes et paramtres de calcul dnergie (adapts sur Homer)II.2.1 Principes de calcul de lnergie olienne

II.2.2 Principes de calcul de lnergie solaire/ Calcul du rayonnement incident sur un module PV

II.3 Temprature de la cellule

II.4 Puissance en sortie des modules

Conclusion

Introduction

III.1 Site dimplantation

III.1.1 Donnes gographiques du lieu

III.1.2 Donnes mtorologiques

III.2 Dimensionnement du gisement

III.2.1 Caractristiques mtorologiques

III.2.2 Dtermination de la consommation nergtique

III.2.2.1 Gestion des charges

III.2.2.2 Caractristiques de la charge

III.2.2.2- a) Sur PVSYST

III.2.2.2- b) Sur HOMER

III.3 Analyse conomique

III.3.1 Le cot de lnergie (ou Cost Of Energy COE ou Cot Actualis de lEnergie CAE)

III.3.2 Le cot prsent net (Net Present CostNPC, ou Cot Actualis Net total CAN)

III.4 Rsultats du dimensionnement

III.4.1 Sur PVSYST

III.4.1- a) Mode normal

III.4.1- b) Mode MPPT

III.4.2 Sur HOMER

Chap. II Evaluation des gisements relatifs au PV/Eolien

Chap. III Etude conceptuelle dun SEH PV/ Eolien/ Diesel

61

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Sommaire

III.5 Configuration de ce systme

III.6 Rcapitulation des caractristiques des divers systmes

III.6.1 Technico-conomiques

III.6.2 Ecologiques

Conclusion

Introduction

IV.1 Modlisation de la chane de production olienne

IV.1.1 Conversion arodynamique

IV.1.2 Architectures de puissance, stratgies de commande et gestion dnergie

IV.2 Modlisation de la chane de production PVIV.2.1 Modles lectriques des panneaux

IV.2.2 Etude des pertes au niveau dun module PV

IV.3 Optimisation du rendement nergtique du systme PV

IV.3.1 Principe de recherche du point de puissance maximale (MPPT)

IV.3.2 Classification des commandes MPPT

IV.3.2.1 Classification des commandes MPPT selon les paramtres dentre

IV.3.2.2 Classification des commandes MPPT selon le type de recherche ou contrle

IV.3.2.2.1 Algorithme perturbation et observation

IV.3.2.2.2 Poursuite du point de puissance maximale par un contrleur logique floue

IV.3.3 Critres de qualit dune commande MPPT

IV.4 Modlisation des lments de gestion de lnergie

IV.4.1 Modlisation des accumulateurs lectrochimiques

IV.4.1.1 Description du modle

IV.4.1.2 Validation du modle

IV.4.1.3 Chargeur de batterie

IV.4.2 Les hacheurs

IV.4.2.1 Hacheur srie Buck ou Step-down converter

IV.4.2.2 Le hacheur survolteur Boost ou Step-up converter

Conclusion

Introduction

V. Analyse du comportement dynamique du SEH face aux variations climatiques

V. 1 Le systme Photovoltaque face aux variations de Temprature/Eclairement

V.1.1 Description du systme solaire global

V.1.1.1 Etude du systme solaire passif

V.1.1.2 Etude du systme solaire avec rgulateur MPPT

Chap. IV Modlisation et commande des composants du SEH

Chap. V Applications et rsultats

151

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Sommaire

V.1.1.2.1 Fonctionnement sous des conditions constantes

V.1.1.2.2 Fonctionnement sous des conditions variables

V.1.2 Rgulation de la tension de la batterie

V. 2 Le systme Eolien face aux variations du vent

V.3 Hybridation des deux sous-systmes

Conclusion

Bibliographie

Annexes

Conclusion gnrale

260

268

269

278

280

282

287

298


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Nomenclature - Abrviations

1. Glossaire

ta Azimut du soleil [].

A Surface active de la voilure [m2].

iA Indice danisotropie [%].

PVA Surface du module PV [m2].

0b Indice de rfraction des modules [-].

c Vitesse de la lumire [m/s].

tot_annC Cot annuel total du systme [DA/an].

boilerC Cot marginal de la chaudire [DA/kWh].

10C Capacit de batterie au taux de dix heures de dcharge [Ah].

BC Capacit de la batterie [F].

pC Coefficient de puissance de la voilure [-].

optpC Coefficient de puissance optimal [-].

tC Couple de la turbine [N.m].

TC Coefficient de temprature [K-1].

VC Coefficient de tension [V-1].

wc Facteur dchelle [m/s].

E et E Erreur et variation de lerreur en entre du CF [-].

batE Force lectromotrice dun lment lectrochimique, tats de charge/dcharge

confondus [V].

defE Charge diffre (pompage de leau, chargement de batteries et conglation peuvent

tre modliss comme telle) servie [kWh /an].

BB,CE et BB,DE Respectivement, la force lectromotrice de charge et de dcharge dun lment

lectrochimique de la batterie [V].

EDC tat de charge de la batterie [%].

gE nergie de gap [J].

sales_gridE Energie totale injecte sur le rseau [kWh /an].

ACprim _E Charge primaire AC servie [kWh /an].

DCprim _E Charge primaire DC servie [kWh /an].

sE (ou G) clairement, Ensoleillement dans le plan dun panneau ou dune photopile [W/m].

tE Equation du temps [heure].

thermalE Charge thermique totale servie [kWh /an].

f Fonction de connexion[-].

gf Coefficient de frottement des masses tournantes de la gnratrice [m.s/rd].

aF ( ) Facteur dactualisation [-].

fdc Frquence du dcoupage [Hz].

ef Facteur dclaircissement de lhorizon [%].


10/334


if Taux dinflation annuel [%].

PVf Facteur de qualit des modules PV utiliss[%].

v

f

Frquence de lchantillon du vent tudi [Hz].

G Irradiance horizontale globale sur la surface de la terre, moyenne sur le pas dutemps [kW/m2].

0G et 0G Respectivement, irradiance horizontale extraterrestreet moyenne de lirradiance

horizontale extraterrestre sur le pas du temps [kW/m2].bG et dG Respectivement, lirradiance directe et diffuse [kW/m

2].

onG Irradiance normale extraterrestre [kW/m2].

scG Constante solaire [kW/m2].

TG Eclairement global incident sur les modules PV, selon le modle HDKR [kW/m2].

h Hauteur du soleil [].

0H et 0H Respectivement, lirradiation journalire [Wh/m2] et moyenne mensuelle

[kWh/m2.j].

Ph Constante de Planck [J.s].

tH Hauteur de la voilure [m].

i Courant en sortie dun panneau [A].

Ii Taux dintrt [%].

'iI Taux dintrt nominal [%].

batI / BBI Courant batterie [A].

cci Courant de court circuit dune photopile [A].

ccI Courant de court circuit dun groupe de panneaux [A].

di Courant de polarisation de la jonction PN pour un panneau [A].

GI (ouI) Courant dun groupe de panneaux [A].

GAZI Courant de gazage de la batterie [A].

GOI Courant normalis de gazification [A].mpI ( ou IMP ) Courant en sortie dun groupe de panneaux, correspondant son PPM [A].

MRI Courant principal de raction de la batterie [A].

phi Photocourant dun panneau panneau [A].

phI Photocourant dun groupe de panneaux [A].

ri Courant dans la rsistance (srie ou shunt) pour un panneau [A].

rI Courant dans la rsistance (srie ou shunt) pour un groupe panneaux [A].

RI Courant moyen de sortie DC [A].

satI (ou sati ) Courant de saturation dune jonction PN [A].

mJ Inertie de la machine [kg.m2].

tJ Inertie de la voilure [kg.m2].


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k Constante de Boltzmann [J/K].

K1et K2 Respectivement, signal de commande du Switch 1 entre le gnrateur et la batterie[0,1], et du Switch 2 entre la batterie et la charge [0,1].

gK Rapport des vitesses maximale et minimale dune gnratrice asynchrone rotor

bobin en application olienne [%].

Ik Cfficient du rgulateur intgral du courant hacheur [-].

IK Cfficient du rgulateur intgral, lors de la commande vectorielle [-].

Pk Cfficient du rgulateur proportionnel du courant hacheur [-].

PK Cfficient du rgulateur proportionnel, lors de la commande vectorielle [-].

sk Pas dchantillonnage du CF [-].

tk Facteur de pertes thermiques [W/mK].

Tk Indice de clart [%].TK Constante du couple/de fem (ke=KT) [V/rd/s].

wk Facteur de forme [-].

chL Inductance de lissage du courant en sortie du hacheur Buck [H].

Lg Inductance propre dune phase statorique de la gnratrice olienne [H].

m Fonction de conversion [-].

M Marge de phase [rd].

M( ) Rapport de conversion [-].

n Jour de lanne.n Numro du jour type, du mois.

1n et 2n Respectivement, les facteurs de puretdes diodes d1 et d2 du panneau.

aN Nombre dannes.

bn Nombre de cellules de batteries mises en srie.

batN Nombre de batteries en parallle.

NOCT Temprature dutilisation normale de la cellule [C].

pn et sn Respectivement, le nombre de cellules associes en parallle et en srie

p Nombre de ples du GSAP [-].P Oprateur de Laplace.

batP Puissance batterie [W].

cP Puissance crte dune photopile en silicium [W].

DP Profondeur de dcharge [%].

Mp Puissance maximale extraite dun seul panneau [W].

MP Puissance maximale pouvant tre recueillie par le GPV ou larognrateur [W].

optP Puissance optimale, maximise par MPPT [W].

PPV Puissance lectrique fournie par la chane de conversion photovoltaque [W].

tP Puissance mcanique rcupre par une turbine olienne [W].

wP Puissance de la masse dair qui traverse la surface quivalente la surface active

A de lolienne [W].PW Puissance lectrique fournie par la chane de conversion olienne [W].


12/334


MAX ,CQ et MAX,DQ Respectivement, la capacit maximum de charge et de dcharge [Ah].

sRQ Rapport de la puissance dissipe dans la rsistance (srie ou shunt) la puissance

dlivre par la cellule [%].

gR Rsistance dune phase statorique [].

bR Facteur gomtrique [%].

batR Rsistance batterie, tats de charge/dcharge confondus [V].

0,CR et 0,DR Respectivement, rsistance interne de chargement et de dchargement [].

sr Rsistance srie dun panneau [].

sR Rsistance srie dun groupe panneau [].

shr Rsistance shunt dun panneau [].

shR Rsistance shunt dun groupe panneau [].

tR Rayon de la turbine olienne [m].

s Dure effective densoleillement [heure].

0s Dure maximale dinsolation [heure].

aT Temprature ambiante [C].

BBT et BBT Respectivement, la temprature de la batterie et son chauffement [K].

ct Temps civil [heure].

eT Couple lectromagntique [N.m].

Gt Instant de lapparition du phnomne de Gassing [s].

iT Constante de temps du rgulateur PI du courant de charge batterie [s].

jT Temprature des panneaux photovoltaques [C].

st Temps solaire [heures].

sT Priode de commutation [s].

xT Ensemble flou [-]

LU Coefficient de transfert de chaleur l'environnement [kW/m2C].

v Tension aux bornes dun panneau [V].

0v Tension la sortie (de out ) du hacheur [V].

gV Tension simple efficace aux bornes dune phase de la gnratrice [V].

batV Tension aux bornes de la batterie, tats de charge/dcharge confondus [V].

BB,CV et BB,DV Respectivement, la tension de charge et de dcharge de la batterie [V].

BB,DV Tension moyenne dune cellule durant la dcharge [V].

cov Tension en circuit ouvert aux bornes dune photopile [V].

coV Tension en circuit ouvert aux bornes dun groupe de panneaux [V].

dv Tension aux bornes de la jonction PN pour un panneau [V].

dV Tension aux bornes de la jonction PN pour un groupe panneaux [V].

D0V Tension aux bornes de la diode du hacheur Buck [V].


13/334


ECV Tension batterie en fin de charge [V].

ELEV Tension dun lment de la batterie [V].

GV (ou V) Tension aux bornes dun groupe de panneaux [V].

GAZV Tension de gassing [V].

iv Tension lentre (de in ) du hacheur [V].

Mv Tension aux bornes de la jonction PN, correspondant au PPM dun seul panneau

[V].

mpV ( ou VMP ) Tension aux bornes dun groupe de panneaux, correspondant son PPM [V].

RV Tension moyenne de sortie DC [V].

wV Vitesse du vent [m/s].

DwV Vitesse de vent partir de laquelle lolienne commence fournir de la puissance

[m/s].

MwV Vitesse de vent maximale de fonctionnement de lolienne [m/s].

nwV Vitesse de vent nominale partir de laquelle lolienne commence fournir la

puissance nominale [m/s].

w hubV (z ) et w anemV (z ) Respectivement, la vitesse du vent la hauteur du moyeu de la turbine du vent

et la vitesse du vent hauteur de l'anmomtre [m/s].

phW Quantit d'nergie d'un photon [eV].

x1etx2 Variables dentre [-].

rx Variable de sortie ou la commande [-].

PVY Capacit de production du module [kW].

Z Conductance du GPV [-1].

0Z Coefficient de rugosit du terrain [-].

cZ Zone de temps en heures, est du GMT [heure].

Rapport cyclique [-].

p Coefficient de temprature de la puissance [% /C].

s Exposant de la loi de puissance [-].

t Angle de retard lamorage des thyristors [rd].

T Absorptance solaires des modules PV (environ 0.9) [%].

Inclinaison de la surface [].

Azimut de la surface [].

Dclinaison []. Facteur damortissement [-].

c Efficacit de conversion lectrique du champ PV [%].

D Rendement de dcharge [%].

mp Rendement du champ PV, en son point de puissance maximale [%].

i Angle dincidence [].

s Angle lectrique [rd].


14/334


z Angle du znith [].

Vitesse spcifique ou normalise dune turbine olienne [-].g Flux statorique [Weber].

l Longitude [].

m Amplitude du flux daimants vu par les enroulements statoriques [Weber].

opt Vitesse spcifique optimale maximisant le coefficient de puissance dune turbine

olienne [-].

ph Longueur d'onde lumineuse [m].

( ) Fonction dappartenance [-].

t Angle de commutation [rd].

Masse volumique de lair [g/m3].

g Albdo [%].

Taux dinsolation [%].

Transmittance solaire du matriau couvrant le modulesolaire [%].

g Constante de temps du phnomne Gassing [s].

Latitude [].

Angle horaire [].

1 et 2 Respectivement, angle horaire au dbut et la fin du pas du temps [].

m Vitesse angulaire de rotation de la turbine [rd/s].

n Pulsation propre non amortie du systme [rd/s].

r Vitesse angulaire de rotation du rotor de la gnratrice [rd/s].

s ( )s2 f Pulsation lectrique [rd/s].

2. Abrviation

STC Conditions de fonctionnement standard en ang. STandard Conditions .NOCT Temprature dutilisation normale de la cellule en ang. Nominal Operating Cell

Temperature .MPPT Maximum Power Point Tracking.

MPP Maximum Power Point.PPM Point de Puissance Maximale.PV Photovoltaque.MPVE Module Photovoltaque Electronique.AM0 Air Masse 0.AM1 Air Masse 1.IAM Modificateur de langle dincidence en ang. Incidence Angle Modifier .P&O Perturb&Observe.CF Contrleur flou.SOC Etat de charge des batteries en ang. State Of Charge .

Les autres abrviations sont explicites dans le texte.


15/334

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction

ggggnralenralenralenrale


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Introduction gnrale

- 1

Introduction gnrale

La production d'nergie est un dfi de grande importance pour les annes venir. En effet, les

besoins nergtiques des socits industrialises ne cessent daugmenter. Par ailleurs, les pays mergents

auront besoin de plus en plus dnergie pour mener bien leur dveloppement.

Le recours systmatique aux carburants fossiles, tels que le ptrole, le charbon et le gaz naturel

pour les plus rpandus pour la production dlectricit, permet davoir des cots de production faibles

mais conduit un dgagement massif de gaz polluants. Ainsi, la production lectrique partir de ces

combustibles est l'origine de 40 % des missions mondiales de CO2[1].

Lconomiste en chef de lAgence Internationale de lEnergie (AIE), Fatih Birol, dresse, dans un

entretien publi par le quotidien britannique The Independent paru le 03/08/2009, un tableaualarmant de la situation du secteur ptrolier. Il suggre au gouvernement dabandonner ds maintenant le

ptrole. Comme principal argument, il avance le fait quune estimation effectue sur plus de 800 des

principaux champs ptroliers au monde, a montr que la plupart dentre eux ont atteint leur pic de

production et que leur rserves fondent deux fois plus rapidement que prvu, savoir que le pic sera

atteint dans une dcennie au lieu de deux, rajoute toujours lconomiste. Cette thse qui suggre un

manque de ptrole court terme a toujours t contredite par les principaux pays producteurs dont les

pays membres de lOPEP et les grandes compagnies ptrolires. Mais ce qui est encore plus anodin,

daprs lui, rside dans le fait que gouvernements et citoyens demeurent inconscients de la gravit de la

situation [2].

Lnergie de fission nuclaire avec son lot de daccord et de pas daccord car ne rejetantdirectement pas de gaz carbonique, souffre gnralement dune mauvaise image mdiatique. Certes les

risques daccidents lis leur exploitation sont trs faibles (en France cette grande sret est notamment

obtenue grce une standardisation leve et un trs haut niveau de technicit) mais les consquences

dun accident, mme trs peu probable, seraient dsastreuses. Le traitement des dchets, issus de ce mode

de production, est trs coteux et, pour une part, leur radioactivit reste leve durant de nombreuses

annes. De plus, laccs cette ressource aux pays en voie de dveloppement ncessite des

investissements lourds et un niveau de technicit quils sont souvent loin davoir. Enfin, contrairement

une ide couramment rpandue, les rserves duranium sont, comme celles du ptrole, limites (moins

de100 ans au rythme actuel de la consommation, lchelle mondial).

Beaucoup plus accessibles et trs adaptes la production dcentralise, les nergiesrenouvelables offrent la possibilit de produire de llectricit proprement et surtout dans une moindre

dpendance des ressources, condition daccepter leurs fluctuations naturelles.

Dautant plus que des rcentes estimations ont montr quactuellement prs de 2,2 [milliards

dindividus] ne sont toujours pas raccords aux grands rseaux dlectricit [3], ce qui reprsente environ

44 % de la population mondiale, pour la plupart situe dans les pays du tiers monde dont lAlgrie, o

plus de 50 % vivent encore sans lectricit, 95 % dentre eux vivent dans la partie sud.

Et limpact conomique est sans appel, chaque semaine dans le monde, plus dun million

dhabitants sajoute la population des villes [4].

Par nergie renouvelable, on entend des nergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de laterre, de leau ou encore de la biomasse. A la diffrence des nergies fossiles, les nergies renouvelables


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Introduction gnrale

- 2

sont des nergies ressource illimite. Les nergies renouvelables regroupent un certain nombre de

filires technologiques selon la source dnergie valorise et lnergie utile obtenue.

Lexploitation des ressources renouvelables connat un grand essor dans les pays industrialiss et

mme dans quelques pays sous-dvelopps. LAlgrie, un pays trs vaste dun climat trs diversifi,

ayant deux grandes zones gographiques distinctes, le Nord mditerranen et le Sud saharien, peut

devenir un bon concurrent dans cette course de recours aux nergies renouvelables. En effet, concernant

lnergie solaire, lAlgrie bnficie de quelque 3 000 [heures] en moyenne densoleillement par an,

autant dire que la source est abondante.

Pourtant, rares sont les installations solaires et seuls certains centres de recherche tels le centre de

dveloppement des technologies avances et le centre de dveloppement des nergies renouvelables pour

ce qui est du nord du pays, et certains sites isols du sud algrien semblent lutiliser [5].

A lheure actuelle, on assiste un regain sans prcdant pour les nergies renouvelables. Leur application

est passe un chelon suprieur, de lindividu la communaut, du cas isol au cas collectif et de la

maison au village. Lre aprs ptrole se prpare dans le plus grand des soins [6].

Malgr une apparence anodine, la production dlectricit est synonyme de perturbations. En

effet, Lutilisation excessive dun mode de production accentue fortement leffet nuisible qui lui est

associ et il apparat vident que la diversification des sources est une solution et une voie promouvoir

dans une politique de dveloppement durable, dans laquelle de nombreuses nations sengagent

aujourdhui plus ou moins timidement.

Cest pourquoi, le systme de production centralis, associ une part croissante de dispositifs de

production dcentraliss, semble reprsenter une rponse raisonnable cette exigence.

Parmi les systmes les plus prometteurs pour lutilisation des nergies renouvelables, il y a les

Systmes dEnergie Hybrides (SEH, pouvant constituer un complment ou une alternative aux groupes

lectrognes) souvent utiliss dans les rgions isoles ou loignes, vu que le prix dextension du rseau

lectrique savre prohibitif et le surcot de lapprovisionnement en combustible augmente radicalement

avec lisolement. Le terme Systme dEnergie Hybride fait allusion aux systmes de gnration

dnergie lectrique utilisant plusieurs types de sources. Dans cette notion, on exclut les grands rseaux

interconnects dans lesquels les sources peuvent aussi tre de plusieurs types. Les SEH sont

gnralement conus pour rpondre un besoin nergtique allant du simple clairage jusqu

llectrification complte de villages ou de petites les.

Lutilisation de plusieurs sources dnergie dans un SEH doit avoir une incidence profitable sur

la production dnergie, en termes de cot et de disponibilit, tant entendu que le bilan cologique

est suppos priori favorable. Les moyens de production individuels tels que lolien, le photovoltaque,

le petit hydraulique etc. prsentent des capacits de production incertaines et souvent fluctuantes, non

corrles lvolution de la charge.

Le systme hybride prsente en somme un double avantage afin de minimiser les perturbations de

lenvironnement grce une consommation sur le lieu de production de ressources naturelles

renouvelables et dune scurit dapprovisionnement quelles que soient les conditions mtorologiques.

Et dans tous les cas, la bonne qualit de la puissance doit tre garantie par rapport aux normes de scurit

des personnes et dusage des quipements.

Dans ce contexte, le travail prsent dans ce mmoire est une contribution pour une meilleure

intgration des sources dnergie renouvelable dans un SEH.

Le but de notre travail est le dimensionnement et la simulation numrique du fonctionnement

dune centrale de production dnergie lectrique autonome hybride, deux tches qui peuvent tre aussi

indpendantes que complmentaires.


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Introduction gnrale

- 3

Dans la premire partie, la configuration du SEH est le rsultat dune procdure de

dimensionnement ralise en fonction des ressources nergtiques disponibles, afin de satisfaire la

demande nergtique de la charge constitue dune dizaine de foyers sis en site isol dans la rgion de

Tindouf.Parmi ces sources, nous avons retenu lolien et le photovoltaque.

Cette solution et un systme de renfort diesel sont adopts. Le stockage dnergie est un facteur clef dans

un systme dnergie hybride en site isol. Dans la plupart des cas, les batteries reprsentent encore latechnologie la plus rentable. Les diffrentes sources fonctionnant en parallle.

Le dimensionnement de notre installation est organis de la faon suivante: partir de

lestimation du potentiel nergtique journalier disponible sur notre site et la dtermination du profil de

charge des consommateurs, le dimensionnement du gnrateur photovoltaque, du gnrateur olien, du

gnrateur diesel, et le dimensionnement des batteries de stockages a pu tre accompli.

Les donnes mtorologiques dpendent du site choisi pour limplantation du systme, donc la

connaissance et lestimation des deux sources dnergies (soleil et vent) doivent tre faites. Et afin de se

rapprocher dun modle rel, le choix sest port sur un site qui favorise limplantation dun systme

type, qui est Tindouf.

Il faut, par la suite, dfinir des critres de choix des diverses solutions possibles prsentes. Nous

avons opt pour une optimisation sur des critres de minimisation du cot global du systme tant dun

point de vue de linstallation que de lutilisation.

Il existe plusieurs logiciels de dimensionnement de systmes hybrides et non hybrides. Nous nous

sommes servis, en premier lieu, de PVSYST pour ltude du systme purement photovoltaque, puis, de

Homer pour le systme hybride dcrit, pour en faire une comparaison entre le rsultat du premier et la

variante PV seul du second.

Dans la seconde partie de ltude, qui est la simulation sous lenvironnement Matlab-Simulink,

notre systme hybride se contracte celui des deux sources photovoltaque- olienne.

La dmarche que nous avons entreprise trace comme but, lanalyse de lefficacit nergtique de

ce systme de production vu dans sa globalit, la quantit dnergie utile, disponible aux bornes de la

charge, restant le seul juge de paix. Pour cela, lutilisation et encore la gestion de lnergie pour

satisfaire cette demande ne fait pas lobjet de ce travail. Dans ce mme contexte, le systme de stockage

naurait mme pas tre intgr puis tudi. Cela dit, le stockage type batteries au Plomb-Acide fait

partie intgrante de notre systme, et considres elles-mmes une charge.

La liaison de lensemble est ralise sur la base dun fonctionnement parallle, contrairement

laltern qui fait appel un systme de commutation qui assure le passage dun fonctionnement dune

source une autre, selon les conditions mtorologiques jour et nuit.

Nous avons dtermin linfluence de diffrents paramtres sur le fonctionnement du systme de

stockage, notamment la temprature. Le modle utilis permet de reconstituer correctement ltat de

charge et de dcharge du systme de stockage.

La maximisation de lutilisation des ressources renouvelables signifie un degr plus lev de leur

intgration. Pour cela, les systmes de commande des deux sous-systmes PV-olien doivent permettre la

rcupration maximale de lnergie du vent et du rayonnement solaire. Il sagit de poursuivre le Point de

Puissance Maximale (PPM) quelque soit les conditions atmosphriques, ce quon appelle la MPPT

(abrviation de Maximal Power Point Tracking).

Etant donn que les pertes de puissance ont t ngliges (pertes mcaniques, pertes Joule et fer

au niveau de la gnratrice et pertes par conduction au sein des convertisseurs statiques) au sein des deux

chaines de conversion, tout au long de lapplication, on considre que le rendement est unitaire 1= . La


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Introduction gnrale

- 4

puissance lectrique fournie la batterie pourra donc s'identifier la puissance gnre par les deux

gnrateurs, hypothse que lon souligne, est loin dtre vraie.

Dans cette optique, ce document est organis en six chapitres.

Le premier traite les notions fondamentales relatives aux systmes hybrides. Une dfinition

thorique des lments le constituant, savoir les gnrateurs olien et photovoltaque, les diffrentsconvertisseurs de puissance, le systme de stockage, est ensuite dtaille.

Une valuation des gisements relatifs au PV solaire et lolien, est traite au second chapitre.

Le formalisme mathmatique correspondant aux notions de lclairement et de la vitesse du vent y est

donn.

Au troisime chapitre, est dimensionn le systme hybride Photovoltaque/Eolien/Diesel ,

destin llectrification dune dizaine dhabitations sises la rgion de Tindouf, sur une base

videmment technique mais galement conomique, sur les deux logiciels Homer et PVsyst.

On aborde dans le quatrime chapitre, la modlisation des diffrents constituants de notre

systme hybride.

Les modles de simulation dvelopps sous lenvironnement MATLAB/Simulink font lobjet du

chapitre cinq.

Lactualit des Energies renouvelable aussi bien qu lchelle mondiale que territorial parait

plus que ncessaire, cela simpose. Nous en sommes o, aprs tous les efforts fournis ? Questions

auxquelles rpond le chapitre six.

Enfin, en conclusion de ce travail, nous envisageons des axes pour les futurs travaux de

mmoires.


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Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables

- 5

Le Centre de dveloppement des nergies renouvelables est situ sur le point culminant dAlger,

Bouzarah, dans un espace verdoyant quil partage avec le CRAAG. Surplombant la mer dest en ouest

jusque sur lextrme cte de An Taya, le CDER na que la mer pour horizon et le ciel comme abri.

Cest un tablissement publique caractre scientifique et technologique, dont les modalits de cration,

dorganisation et de fonctionnement font lobjet du dcret excutif n 99-256 du 16/11/1999, publi dans

le journal officiel de la rpublique algrienne n 82.

Lorganisation interne du centre de dveloppement des nergies renouvelables (C.D.E.R) suit larrt

interministriel du 02/09/2006.

Le CEDR est charg dlaborer et de mettre en uvre les programmes de recherche et de

dveloppement, scientifique et technologique, des systmes nergtiques exploitant lnergie solaire

thermique, photovoltaque, olienne, gothermique, lnergie de la biomasse et de lhydrogne. Il vise

promouvoir ces nergies, mais principalement sur les sites dpourvus de rseau lectrique ou trop

loigns deux, faisant ainsi honneur la loi n04-09, correspondant au 14/08/2004, relative la

promotion des nergies renouvelables dans le cadre du dveloppement durable [7].

Ses installations modernes trompent quant lorigine du Centre, qui a vu le jour lpoque

coloniale.

Pour preuve, limmense hliodyne ou four solaire qui date de 1954 et qui fut en son temps la ralisation

la plus puissante au monde. Depuis, le temps est pass, mais le four na rien perdu de son aura et exerce

encore une impression de grandeur isole dans son hangar labri de lembrun marin.

Le four a la capacit de faire monter la temprature 3000 [C], afin dobtenir des vapeurs

permettant de faire tourner des turbines. Quelques chauffe-eau solaires offrent leur face au ciel pour

puiser cette nergie et chauffer leau une temprature idale comprise entre 45 et 60 [ C]. Sans

production doxyde de carbone ou dautres formes de polluants, ce type de procd pourrait tre une des

applications des plus rpandues et des plus performantes en conomie dnergie dans les htels, les

coles ou les casernes.

Le toit du CDER est occup par une installation hybride comprenant un arognrateur coupl des modules photovoltaques offrant une indpendance apprciable en matire de source dnergie.

A lheure o les nergies fossiles font grands signes de faiblesse, et o la crise financire

mondiale semble faire crouler la plus grande des certitudes, lAlgrie ne peut ignorer le potentiel

nergtique dont elle dispose et ne peut que sobliger sy intresser. Le CDER tente douvrir lhorizon

algrien un bouquet qui offrira indpendance et respect de lenvironnement [6].

Prsentation du::::Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables


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Chap. I

DfinitionDfinitionDfinitionDfinitiondu systmedu systmedu systmedu systmednergies hybridesdnergies hybridesdnergies hybridesdnergies hybrides


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Ch. I Dfinition duSystme dEnergie Hybride

- 7

.

I/ Dfinition du Systme dEnergie Hybride

Introduction

Lpuisement des ressources fossiles, plus ou moins long terme, la flambe des cours du brut etla lutte contre les missions de gaz effet de serre rendent urgentes la matrise des consommations et la

diversification des sources dnergie, un fait qui interpelle plus fort que jamais le dveloppement des

nergies renouvelables.

Et afin dattnuer le caractre alatoire dun gisement dnergie renouvelable donn, on peut

multiplier les sources de natures diffrentes. On obtient alors un systme dit multi-sources.

Il prsente en somme le double avantage de minimiser les perturbations de lenvironnement

grce une consommation sur le lieu de production de ressources naturelles renouvelables et dune

scurit dapprovisionnement maximale. Raisons pour lesquelles il se trouve utilis dans de trs

nombreuses applications dintrt trs sensible et stratgique comme les relais de tlcommunication, lespostes frontires, les dispensaires, etc., hors rseau dlectricit conventionnel, la disponibilit

permanente de la source primaire dnergie est vitale et conditionne dans une trs large mesure la

fiabilit des installations et leur fonctionnement permanent.

I.1 Prsentation du systme hybride

Le systme hybride de production de lnergie, dans sa vue la plus gnrale, est celui qui

combine et exploite plusieurs sources disponibles facilement mobilisables. Le systme qui nous intresse

regroupe trois parties, savoir lolienne, le photovoltaque, et comme appoint un groupe lectrogne.

Ces trois sources de production de lnergie passent par un stockage lectrochimique.

Lajout du groupe lectrogne un systme de production dnergies renouvelables peut dune

part augmenter la fiabilit du systme, alimenter des charges plus nergtivores et, dautre part, diminuer

de manire importante le cot de llectricit produite par une diminution importante de la taille des

gnrateurs solaire et olien. Nous allons envisager dans notre tude dalimenter un village composdune dizaine de foyers isols, situ dans une zone climatique algrienne, ou de manire plus exacte

dapporter un certain service nergtique. En fait, ce nest pas lnergie en soi que rclame une

population mais un service nergtique, nous de le lui apporter au moindre cot et avec une efficacit

nergtique.

Cette tude fait, en premier lieu, usage de dimensionnement et danalyse du systme hybride

prcit, se configurant selon plusieurs combinaisons. Le choix de lune ou de lautre doit tenir compte ducot de fonctionnement ainsi que de la taille du systme.

I.1.1 Les diffrentes configurations des systmes hybrides

Deux configurations simposent [9, 10]:

I.1.1.1 Architecture bus CC, ayant les avantages et inconvnients suivants :

Avantages

La connexion de toutes les sources sur un bus CC simplifie le systme de commande ;


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- 8

.

Le gnrateur diesel peut tre dimensionn de faon optimale, cest--dire de sorte fonctionner

puissance nominale pendant le processus de chargement des batteries jusqu un tat de charge de 75

85 %.

Dsavantages

Le rendement de lensemble du systme est faible, parce quune certaine quantit dnergie est

perdue cause des batteries et des pertes dans les convertisseurs.

Les gnrateurs diesels ne peuvent pas alimenter directement la charge, londuleur doit donc tre

dimensionn pour assurer le pic de charge.

I.1.1.2 Architecture mixte bus CC/CA, dont les atouts et les inconvnients sont numrscomme suit ;

Avantages

Le GD et londuleur peuvent fonctionner en autonome ou en parallle. Quand le niveau de la chargeest bas, lun ou lautre peut gnrer le ncessaire dnergie. Cependant, les deux sources peuvent

fonctionner en parallle pendant les pics de charge ;

La possibilit de rduire la puissance nominale du GD et de londuleur sans affecter la capacit du

systme alimenter les pics de charge.

Dsavantages

La ralisation de ce systme est relativement complique cause du fonctionnement parallle delonduleur qui doit tre capable de fonctionner en modes autonome et non-autonome en synchronisant les

tensions en entre avec les tensions en sortie du GD.

Les figures- (I.1)et (I.2)montrent la configuration de chacun de ces deux systmes ;

Fig- I.1:Configuration du SEH bus CC


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- 9

.

Fig- I.2:Configuration du SEH deux bus CC et CA

On distingue donc le systme:

I.1.1.2- a) PV/ Gnratrice

Pour les applications hors rseau, il est possible davoir un systme PV fonctionnant en parallle

avec une gnratrice diesel, en toute complmentarit.

Ce type de systme sapplique particulirement des sites loigns o il est important davoir de

llectricit en continu, o les cots de transport du carburant sont levs et o il nest pas encore

rentable dutiliser un systme PV seul avec batteries.

Les gnratrices peuvent utiliser plusieurs types de combustibles fossiles, essence, mazout,

propane ou gaz naturel. Ce systme se prsente sous diffrentes variantes.

Catgories des systmes hybridesPV/Diesel

Systmes hybridesPV/Diesel srie

Dans ce systme, lnergie issue du gnrateur diesel et du champ PV est utilise pour charger un

parc de batteries. Le gnrateur diesel est connect en srie avec londuleur pour alimenter la charge, cet

onduleur convertissant videmment la tension continue du parc de batteries pour alimenter la charge de

nature alternative. La capacit du parc des batteries et de londuleur devrait tre en mesure de dlivrerune puissance suprieure au pic de la charge. Celle du gnrateur devrait galement remplir cette tche et

charger le parc de batteries simultanment.

Ce systme est reprsent sur la figure- (I.3);


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- 10

.

Fig- I.3: Systmes hybrides PV/Diesel srie

Systmes hybridesPV/Diesel avec interrupteur

Dans ce systme, et daprs le schma de la figure- (I.4), le parc de batteries peut tre charg parle gnrateur diesel et le champ PV. La charge peut tre alimente directement par le gnrateur diesel.

Si la puissance dlivre par ce dernier excde la charge, cet excs dnergie sera utilis pour recharger le

parc de batteries. Durant la priode de faible demande dnergie, le gnrateur diesel est interrompu, la

charge est alimente par le champ PV et lnergie stocke.

Ltude de lefficacit de conversion mne dire que ce systme est plus efficace que le srie.

Fig- I.4: Systmes hybrides PV/Diesel avec interrupteur

Systmes hybrides PV/Diesel parallle

Ce systme est illustr sur la figure- (I.5).

Le gnrateur diesel peut alimenter la charge directement. Le champ PV et le parc de batteries

sont connects en srie avec le convertisseur bidirectionnel, pour alimenter la charge. Le convertisseur

bidirectionnel charge le parc de batteries en prsence dun excs dnergie partir du gnrateur diesel.


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- 11

.

Fig- I.5: Systmes hybrides PV/Diesel parallle

I.1.1.2- b) Systmes hybrides PV/Diesel/olienLes systmes hybrides PV/Diesel peuvent galement tre coupls avec dautres sources

dnergie, telles les turbines oliennes et les microcentrales hydrauliques, lorsquil y a complmentarit

des productions lectriques.

Dans les rgions ensoleilles lt avec des vents forts lhiver, les systmes PV /olien/diesel

permettent dexploiter en plus lnergie du vent pour couvrir une part de lexigence de la charge qui,

autrement serait couverte par un groupe diesel.

La configuration dun tel systme est donne par la figure- (I.6) ci-aprs ;

Fig- I.6:Modle gnral dun systme hybride PV /olien/diesel

Une classification des grands systmes olien- diesel sur trois niveaux a t propose en [11] ;


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- 12

.

PENETRATIONNIVEAU DE

PENETRATION

CARACTERISTIQUES DE

FONCTIONNEMENT PIC INSTANTANE MOYENNEANNUELLE

FAIBLE

GD fonctionne sans arrt.

La production

renouvelable rduit la charge dudiesel.

Toute lnergierenouvelable alimente la charge

principale.

Il ny a pas de systme de

supervision.

< 50 % < 20 %

MOYEN

GD fonctionne sans arrt.

Commande relativementsimple.

Pour les niveaux levs

dnergie renouvelable, des

charges secondaires sont

rparties pour assurer une chargesuffisante pour le diesel ou la

production renouvelable est

rduite.

50 % - 100 % 20 % - 50 %

ELEVE

GD peut tre arrt en

fonction de la production

dnergie renouvelable.

Systmes auxiliaires pour

contrler la tension et la

frquence.

Commande complexe.

100 % - 400 % 50 % - 150 %

Tableau-I.1: Classification des systmes oliens- diesel base sur le tauxde pntration de lnergie olienne

Le champ dapplication des SEH est trs large et par consquent, il est difficile de classer ces

systmes. On peut nanmoins essayer de raliser un classement par gamme de puissance (Tableau-(I.2)). Les seuils de puissance donns ne sont que des ordres de grandeurs.

PUISSANCE DU SEH[kW]

APPLICATION

Faible : < 5Systmes autonomes : stations de tlcommunications, de pompage de leau,

autres applications isoles ;

Moyenne : 10 250 Micro rseaux isols : alimentation dun village isol, dun hameau, des zonesrurales

Grande : > 500 Grands rseaux isols (ex : rseaux insulaires) ;

Tableau I.2: Classification des SEH par gamme de puissance

I.2 Problmes rencontrs dans le fonctionnement des SEH

Les systmes dnergie en site isol rencontrent en gnral les mmes problmes que les rseaux

faibles [12]. Ces difficults, qui ne se prsentent pas dans les grands rseaux interconnects, sont en

gnral causes par:

Les variations de lnergie dorigine renouvelable (indpendamment de la charge) ;

Le manque de connaissances dans le domaine de la qualit de lnergie en rseau faible.


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- 13

.

Compte tenu de la nature stochastique des sources dnergie renouvelable, la difficult principale

des SEH comportant ce type de sources est de pouvoir produire chaque instant lnergie demande par

la charge.

Le moyen le plus simple dviter une augmentation du risque de ne pas satisfaire compltement

la charge est de faire fonctionner les sources dnergie renouvelable et les gnrateurs diesels en

parallle, de faon continue (le gnrateur diesel fonctionne sans arrt) [13]. Dans ce type de

fonctionnement, les sources dnergie renouvelable agissent comme une charge ngative, en rduisant la

charge moyenne des gnrateurs diesels. Ces derniers peuvent fonctionner une puissance trs basse

mais lconomie de carburant est modeste cause du rendement trs faible (en fonctionnement vide, la

consommation de carburant sestime 25-30 % de la consommation pleine charge) [14]. Ainsi, garder

un moteur diesel au rgime de ralenti pour une demande de puissance nulle suppose une consumation de

carburant non ngligeable.

Si lnergie renouvelable est suffisante pour alimenter la plupart de la charge, la quantit de

carburant conomise peut alors tre augmente en faisant fonctionner les gnrateurs diesels par

intermittence [15]. En fonctionnement intermittent, les gnrateurs diesels dmarrent et sarrtent en

fonction de la variation de lnergie renouvelable et de la charge. Le nombre de cycles dmarrage/arrt

des gnrateurs diesels peut, par consquent, tre trs lev. Le problme dans ce cas est lusure

prmature des GD et de leurs dmarreurs [16, 17]. Un autre problme devant tre pris en compte quand

le gnrateur diesel fonctionne par intermittence est le temps ncessaire pour le dmarrage et larrt. Le

systme peut, par exemple, seffondrer subitement pendant le dmarrage du gnrateur diesel, si

lnergie renouvelable diminue plus vite que le temps ncessaire pour la phase de dmarrage.

Il arrive parfois que la production dnergie renouvelable soit plus importante que la

consommation de la charge. Si lexcs dnergie dans le rseau ne peut pas tre limin, la production

dnergie renouvelable doit alors tre limite ou mme arrte. En gnral, les systmes sans stockage

utilisent une charge de dlestage pour maintenir lquilibre nergtique et la stabilit de la frquence.

Dautres applications ncessitent des systmes de commande supplmentaires pour maintenir la qualit

de la tension. Tous ces dispositifs, tels que les charges de dlestage et les systmes de commande,

augmentent le cot dinvestissement qui peut ne pas tre justifi par les avantages du systme hybride.

Seule une stratgie de commande adquate peut permettre dintgrer de manire optimale

diffrents composants et donc de rendre le systme rentable.

La dynamique des gnrateurs dnergie renouvelable peut aussi causer des problmes dans le

fonctionnement des SEH. Par exemple, le dmarrage dune olienne quand la vitesse du vent est leve.

Dans ce cas, la puissance produite par lolienne atteint presque instantanment la puissance nominale du

gnrateur. Ces changements rapides dans la production dnergie peuvent gnrer des problmes de

qualit dnergie (variation de tension et de frquence) et mme larrt complet du systme.

Les gnrateurs asynchrones, largement utiliss dans les oliennes, ont besoin dune quantit

importante de puissance ractive, surtout pendant la phase dexcitation (dmarrage). Sil ny a pas assez

de sources de puissance ractive dans les SEH et une ou plusieurs oliennes dmarrent, laugmentation

soudaine de la consommation de puissance ractive provoque des creux de tension et le systme

dcroche. Dautres sources de perturbation pouvant gnrer des creux de tension sont les courts circuits.

Ceux-ci peuvent provoquer leffondrement des SEH, mais aussi une phase de r-excitation des

gnrateurs asynchrones connects au systme.

Une autre perturbation qui peut poser des problmes est la surtension. Une surtension peut tre

cause par un court circuit, larrt dune charge importante ou la connexion dun banc de condensateurs.


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- 14

.

Un inconvnient majeur dans un SEH connect en rseau triphas isol est le dsquilibre de

tension entre les phases. Un rcepteur lectrique triphas dsquilibr ou des rcepteurs monophass

dsquilibrs aliments par un rseau isol triphas peuvent conduire des dsquilibres de tension.

Ces dsquilibres provoquent des couples de freinage parasites et des chauffements

supplmentaires dans les machines tournantes CA.

Du point de vue de la continuit de la production et de la qualit de lnergie, les facteurs

pouvant affecter le fonctionnement dun SEH sont rsums ci-aprs :

Les variations de la charge long terme : les rgions isoles avec des petits rseaux lectriques

peuvent subir des changements rapides dans leurs besoins en lectricit (gnralement, la demande

augmente).

Les variations de la charge court terme: en gnral, la demande en lectricit varie beaucoup

sur des intervalles de temps assez courts, de lordre de quelques minutes. Des valeurs minimales sont

suivies par des pics.

Les ressources dnergie renouvelable : les ressources, comme le vent et le soleil, sont

stochastiques par leur nature, ont des caractristiques locales et sont trs difficiles prdire.

Les perturbations du rseau : les dfauts, tels que les courts-circuits, peuvent non seulement

arrter les systmes, mais aussi, au pire des cas, dtruire certains composants.

Dans un cas gnral, le synoptique dchange de lnergie dans un systme de production

hybride olien- photovoltaque, avec possibilit dalimentation de Charges AC ou mme une ventuelle

connexion rseau, est tel que reprsent sur la figure- (I.7);

Fig- I.7: Synoptique des changes dnergie dans un systme multi-sources

La figure- (I.8)montre le synoptique gnral de la mme installation hybride PV-Eolien;


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- 15

.

Figure -I.8: Synoptique dune installation exprimentale - Systme de production hybride olien etPhotovoltaque coupl au rseau et associ un stockage de lnergie

Le systme est largement instrument, des capteurs permettent dobtenir les ;

Conditions mto :

Vitesse du vent ; Direction du vent ;

Ensoleillement dans le plan horizontal ;

Temprature ambiante ;

Ensoleillement dans le plan des panneaux ;

Temprature des panneaux.

Des capteurs nous permettent de mesurer les courants, tensions et puissances des :

Chanes de production olienne ;

Chane de production photovoltaque ;

Batterie ; Bus continu ;

Rseau, en cas de connexion.

Ces donnes seront ensuite envoyes vers un systme de gestion et de pilotage qui permet de

commander le niveau de tension de la batterie. Avec une telle structure, nous pouvons contrler les

transferts dnergie en intervenant sur le niveau de la tension batterie.

Des systmes de scurit (contacteurs) permettent de court-circuiter les oliennes et les panneaux

photovoltaques si le niveau de tension batterie devient trop important. Toutes les donnes des capteurs

sont stockes pour permettre laffichage et lanalyse des grandeurs caractristiques du dispositif.

Les lments de ce schma seront dtaills au fur et mesure de lavancement de ltude.


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- 16

.

I.3 La production olienne

I.3.1 Transformation de lnergie du vent et du soleil en lectricit

I.3.1.1 Historique de lolien

Parmi toutes les nergies renouvelables, part lnergie du bois, cest lnergie du vent qui a texploite en premier par lhomme. Depuis lantiquit, elle fut utilise pour la propulsion des voiliers et

ensuite les moulins bl et les constructions permettant le pompage deau. Les premires utilisations

connues de l'nergie olienne remontent 2 000 ans av. J.-C environ.

Hammourabi, fondateur de la puissance de Babylone, avait conu tout un projet d'irrigation de la

Msopotamie utilisant la puissance du vent. La premire description crite de lutilisation des moulins

vent en Inde date denviron 400 ans av. J.-C. En Europe, les premiers moulins vent ont fait leur

apparition au dbut du Moyen Age. Utiliss tout d'abord pour moudre le grain, d'o leur nom de "

moulins ", ils furent aussi utiliss aux Pays-Bas pour asscher des lacs ou des terrains inonds.

Ds le XIV sicle, les moulins vent sont visibles partout en Europe et deviennent la principale

source dnergie. Seulement en Hollande et au Danemark, vers le milieu du XIX emesicle, le nombre des

moulins est estim respectivement plus de 30000 et dans toute lEurope 200000. A larrive de la

machine vapeur, les moulins vent commencent leur disparition progressive.

Larrive de llectricit donne lide Poul La Cour en 1891 dassocier une turbine olienne

une gnratrice. Ainsi, lnergie en provenance du vent a pt tre redcouverte et de nouveau utilise

(dans les annes 1940 au Danemark 1300 oliennes).

Au dbut du sicle dernier, les arognrateurs ont fait une apparition massive (6 millions de

pices fabriques) aux Etats-Unis o ils taient le seul moyen dobtenir de lnergie lectrique dans les

campagnes isoles. Dans les annes 60, fonctionnait dans le monde environ 1 million darognrateurs.

La crise ptrolire de 1973 a relanc de nouveau la recherche et les ralisations oliennes dans le monde.

I.3.1.2 Conversion de lnergie olienne

Dans cette partie nous allons nous intresser aux dispositifs de conversion permettant de

transformer lnergie olienne en nergie lectrique. Dans un premier temps nous prsenterons les

caractristiques et les diffrents types darognrateurs existants, puis nous analyserons les chanes de

conversion lectrique associes ces turbines.

Les composants de la chane lectromcaniques de conversion sont donns par lafigure- (I.9);

Fig- I.9: Composants de la chane lectromcanique (fiche technique : NM 750/48)


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.

I.3.1.2.1 Taille des arognrateurs [17, 18]

Les constructeurs et chercheurs ne finissent pas de mettre au point des oliennes de plus en plus

puissantes donc plus grandes, ce que reprsente la figure- (I.10);

Fig- I.10: Taille des hlices en [m] et puissance en [kW]

Les plus grandes oliennes commercialises actuellement possdent une hlice de plus de 100

[m] de diamtre, perche plus de 100 [m] de hauteur pour produire jusqu 4,5 [MW].

I.3.1.2.2 Caractristiques et types de turbines

I.3.1.2.2- a) Puissance rcuprable par une turbine

La puissance mcanique rcupre par une turbine olienne peut scrire sous la forme :

3t p w

1P C . .A.V

2= (I.1)

O :3= 1,3 kg/m

, la masse volumique de lair (sa densit);

A: est la surface frontale de la turbine olienne, en [m2];

Vw: la vitesse du vent au niveau de la turbine suppose connue;

pC : est le coefficient arodynamique de puissance, un paramtre sans dimension qui exprime

lefficacit du rotor olien dans la transformation de lnergie cintique du vent en nergie mcanique.

Ce coefficient est fonction de langle de calage et de la vitesse spcifique (rduite) qui reprsente lerapport de la vitesse linairepriphrique (en bout de pales)de la turbine ramene la vitesse du vent,dfinie par:

t m

w

R .

V

= , O m est la vitesse angulaire de rotation de la turbine.

pC a une valeur thorique maximale donne par la limite de Betz [19] :Cp max=0,593.


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I.3.1.2.2- b) Loi de Betz

La turbine olienne est un dispositif qui transforme lnergie cintique du vent en nergie

mcanique.

A partir de lnergie cintique des particules de la masse dair en mouvement passant par la

section de la surface active A de la voilure, la puissance de la masse dair qui traverse la surface

quivalente la surface active A de lolienne est donne par :

w w

1P . .A.V

2= (I.2)

Selon la loi de Betz, cette puissance ne pourra jamais tre extraite dans sa totalit [20]. La

puissance maximale pouvant tre recueillie par une olienne est gale la limite de Betz :

M w w

16P .P 0,59.P

27= =

(I.3)

Sous cette forme, la formule de Betz montre que lnergie maximale susceptible dtre recueillie par un

arognrateur ne peut dpasser en aucun cas 59 % de lnergie cintique de la masse dair qui le

traverse par seconde. De cette faon le coefficient de puissance maximal thorique est dfini :

opt M Mp 3

w w

P 2.PC 0,59

P .A.V= = = (I.4)

En ralit, jusqu prsent, seulement 60 70 % de cette puissance maximale thorique peut tre

exploite par les engins les plus perfectionns. Cest ce rendement qui est appel coefficient de

puissance Cpde lolienne, propre chaque voilure. Ce coefficient lie la puissance olienne la vitesse

du vent :

tp 3

w

2.PC

.A.V

= (I.5)

La figure- (I.11) montre lvolution du coefficient de puissancepC pour des turbines relles

axe horizontal avec 1, 2, 3 et 4 pales [21]. On remarque que pour chaque type dolienne correspond une

vitesse normalise opt , qui maximise le rendement arodynamique. Ainsi un fonctionnement vitesse

de rotation variable, selon la vitesse du vent, peut permettre de rester sur le maximum de la courbe. Plus

la caractristique ( )pC sera en cloche, plus il sera bnfique dadapter la vitesse de rotation la

vitesse du vent, afin de rester dans la zone optimale.

Fig- I.11:Coefficient arodynamique de puissance en fonctionde la vitesse de rotation normalise [22]


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I.3.1.2.2- c) Types de turbine

Il existe deux grandes catgories d'oliennes selon la disposition gomtrique de l'arbre sur

lequel est monte l'hlice [22] :

- Les turbines oliennes axe horizontal ;

- Les turbines oliennes axe vertical.

Fig-I.12: Technologies doliennes

Sur le plan arodynamique, on peut comparer les diffrents types de turbines en comparant leurs

coefficients arodynamiques de puissance ou de couple en fonction de la vitesse normalise .

Fig- I.13:Coefficients de puissance et du couple en fonction de la vitesse normalise pour diffrenttypes de turbines [22]


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On peut noter ainsi que :

o Les courbes donnant le coefficient de couple montrent que les couples de dmarrage sont favorables

aux multipales (pompage,). Il en est de mme pour les systmes axe vertical ;

o Les courbes ( )pC montrent lavantage intrinsque des turbines axe horizontal en termes de

puissance, mme si ce jugement est nuancer lorsquon observe lnergie restitue, en particulier ensites peu vents (zones urbaines,) ;

o Les courbes sont plus plates pour les axes horizontaux ( )pC faible nombre de pales (3, 2, 1)par rapport aux axes verticaux ou aux multipales. Elles sont donc moins sensibles aux variations

de autour de opt .

I.3.1.2.2- d) Rgulation mcanique de la puissance dune olienne

Une turbine olienne est dimensionne pour dvelopper une puissance nominale Pn partir dune

vitesse de vent nominale nwV . Pour des vitesses de vents suprieures nwV , la turbine olienne doitmodifier ses paramtres arodynamiques afin dviter les surcharges mcaniques (turbines, mat et

structure), de sorte que la puissance rcupre par la turbine ne dpasse pas la puissance nominale pour

laquelle lolienne a t conue. Il y a dautres grandeurs dimensionnantes:Mw

V la vitesse du vent

partir de laquelle lolienne commence fournir de lnergie etMw

V la vitesse maximale de vent au-del

de laquelle lolienne doit tre stoppe pour des raisons de sret de fonctionnement.

Fig- I.14:Diagramme de la puissance utile sur l'arbre en fonction de la vitesse du vent.

Ainsi la caractristique de puissance en fonction de la vitesse du vent comporte quatre zones [23] :

- La zone- I, o Pturbine= 0(la turbine ne fournit pas de puissance) ;

- La zone- II, dans laquelle la puissance fournie sur l'arbre dpend de la vitesse du vent Vw;

- La zone- III, o gnralement la vitesse de rotation est maintenue constante par un dispositif de

rgulation et o la puissance Pturbinefournie, reste sensiblement gale Pn;

-La zone- IV, dans laquelle le systme de sret du fonctionnement arrte la rotation et le transfert del'nergie.

La plupart des grandes turbines oliennes utilisent deux principes de contrle arodynamiquepour limiter la puissance extraite la valeur de la puissance nominale de la gnratrice :


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o Systme pitch ou pas ou calage variable qui permet dajuster la portance des pales la

vitesse du vent, principalement pour maintenir une puissance sensiblement constante dans la zone III de

vitesses [24] ;

o Systme stall ou dcrochage arodynamique , le plus robuste car cest la forme des pales qui

conduit une perte de portance au-del dune certaine vitesse de vent, mais la courbe de puissance

maximale nest pas plate et chute plus vite. Il sagit donc dune solution passive et robuste (pas besoin desystme dorientation des pales). Chez certains fabricants de grandes machines, un systme hybride se

dveloppe, le stall actif , dans lequel le dcrochage arodynamique est obtenu progressivement grce

une orientation minime des pales ncessitant des moyens de rglage plus conomiques et plus robustes

que dans le systme pitch.

Dautres systmes de rgulation, dans les petites oliennes notamment, sont exploits :

o Basculement (relvement) de laxe, normalement horizontal ;

o Pas variable par la pression du vent (modle Airwind : les pales en fibre, se dforment et provoquent

un dcrochage) ;

o

Dviation par rapport laxe du vent. La drive se trouve lgrement dcale par rapport laxe derotation vertical (qui permet normalement la turbine dtre face au vent) et cre une force de dviation

qui rgule la puissance arodynamique (la turbine reoit un vent de travers).

I.3.1.2.2- e) Intrt de la vitesse variable

Si on considre les courbes du coefficient de puissance fonction de, il apparat clairementlimportance dun rglage de vitesse. En effet, si la gnratrice lectrique est de type synchrone ou

asynchrone directement couple au rseau, la vitesse est sensiblement constante et le rendement

arodynamique ne peut tre maximal que pour une seule vitesse de vent opt . Un systme deux

vitesses de rotation est possible mais la vitesse variable lectronique apporte beaucoup plus en termesnergtique [25].

La figure- (I.15) [26] montre que la position du maximum de la courbe puissance en fonction dela vitesse de rotation change avec la vitesse du vent. Typiquement, un rglage de vitesse dans une plage

de 1 2 est ncessaire pour bien optimiser les transferts nergtiques. Nous verrons dans ce qui suit

diffrents ensembles convertisseurs-machines utiliss ou utilisables dans la gnration olienne

dnergie.

Fig- I.15:Puissance de la turbine en fonction de sa vitesse de rotation,paramtre en vitesse du vent


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I.3.2 Chanes de conversion lectrique

Lolienne, fiable et rentable, reprsente la source dlectricit idale pour de nombreuses

applications.

Diverses chanes de productions coexistent pour la production dlectricit par arognrateurs.

Elles peuvent tre trs diffrentes selon que lon est en forte ou en petite puissance, en fonctionnement

vitesse fixe (ou peu variable) ou vitesse variable. On peut, par exemple, classer ces solutions par leur

fonctionnement coupl ou non au rseau.

I.3.2.1 Systmes coupls au rseau alternatif

Les grands systmes lectriques de CA isols peuvent utiliser les oliennes du type connect aux

grands rseaux interconnects. La technologie largement dominante aujourdhui est axe horizontal,

turbine tripale, parfois bipale et rotor face au vent. Ces oliennes ont des puissances comprises entre 10

[kW] et 5 [MW] et peuvent fonctionner vitesse fixe ou vitesse variable [27]. Les deux types de

machines lectriques les plus utilises pour ces oliennes sont les machines asynchrones et les machines

synchrones sous leurs diverses variantes.

La plupart des oliennes de plus de 50 [kW] exploites dans les SEH utilisent des gnrateurs

asynchrones [27].

I.3.2.1- a) Gnratrices asynchrones cage

Cest dans les grandes puissances (au-del de 100 [kW]) que lon rencontre des systmes relis

au rseau et produisant au fil du vent. Bien que la premire machine qui vient lesprit pour de tels

systmes soit la gnratrice synchrone, le faible cot et la standardisation des machines asynchrones a

conduit une trs large domination des gnratrices asynchrones cage jusqu des puissances dpassant

le mgawatt.

Les machines asynchrones cage ne ncessitent quune installation assez sommaire. Elles sont

souvent associes une batterie de condensateurs de compensation de la puissance ractive (figure-(I.16)) et un dmarreur automatique progressif gradateur ou rsistances permettant de limiter lergime transitoire dappel de courant au moment de la connexion au rseau.

Fig- I.16:Chane de conversion gnratrice asynchrone cage

Nous avons vu prcdemment lintrt de la variation de vitesse. Une solution couramment

employe consiste utiliser des machines asynchrones cage 2 configurations polaires du bobinage

statorique qui procurent ainsi deux vitesses de synchronisme.


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I.3.2.1- b) Gnratrices asynchrones rotor bobin

La machine asynchrone rotor bobin et double alimentation prsente un atout considrable.

Son principe est issu de celui de la cascade hyposynchrone : le stator (ou le rotor) est connect tension

et frquence fixes au rseau alors que le rotor (ou le stator) est reli au rseau travers un convertisseur

de frquence (plus ou moins labor). Si la variation de vitesse requise reste rduite autour de la vitesse

de synchronisme, le dimensionnement du convertisseur de frquence (lectronique de puissance) peut

tre rduit. En effet, si gK est le rapport de la vitesse maximale sur la vitesse minimale (par

exemplemmax

gm

min

K 2,5

= = , sa puissance de dimensionnement est g

g

K 1

2.K

fois la puissance maximale

gnre (30 %).

Fig- I.17:Chanes de conversion gnratrice asynchrone rotor bobin [28]

Cette figure montre deux systmes double alimentation. Le premier est convertisseurs

thyristors. Il nest plus utilis car il prsente trop dinconvnients en termes de facteur de puissance et de

formes dondes (ct machine et ct rseau). Actuellement, ce sont les systmes deux convertisseurs

triphass modulation de largeur dimpulsion qui sont utiliss (second systme), gnralement IGBT.

Les machines rotor bobin (double alimentation) ncessitent un rotor sensiblement plus

complexe ainsi quun systme triphas de bagues et balais pour connecter les enroulements rotoriques au

convertisseur.

Les problmes dusure et de maintenance associe pourraient conduire prfrer une solution

vitesse variable constitue dune gnratrice asynchrone cage associe un convertisseur de frquence

(figure- (I.18)), mais il ne semble pas quelle ait encore trouv un dbouch, sans doute pour des raisonsconomiques.

Fig-I.18: Chane de conversion gnratrice synchrone rotor bobin (ou aimants)et convertisseur de frquence


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I.3.2.1- c) Gnratrices synchrones

Dautres oliennes utilisent des gnrateurs synchrones. Les gnrateurs synchrones, de plus de

200 [kW], sont bien plus chers que les gnrateurs induction de la mme taille. La connexion directe du

gnrateur synchrone au rseau nest pas habituelle.

Les gnratrices synchrones entranement direct sont encore peu nombreuses, le principalfabricant est Enercon (plusieurs milliers de machines sont dj en service, 300 [kW], 600 [kW], 1 [MW]

et 1,8 [MW]).

Linducteur (rotor) est bobin, il ncessite un systme bagues lisses-balais ou un systme diodes

tournantes sans contact (comme dans les alternateurs classiques de production) pour amener le

courant continu. Le courant dexcitation constitue un paramtre de rglage qui peut tre utile pour

loptimisation nergtique, en plus du courant dinduit rgl par londuleur MLI.

Pour des raisons de compacit et de rendement, des gnratrices synchrones aimants

permanents apparaissent (Jeumont Industrie, 750 [kW]) et prennent actuellement une place quasi

croissante.

On trouve galement des machines synchrones rapides associes un multiplicateur de

vitesse, comme chez le constructeur Made (gamme au-del de 800 [kW]). Ces machines fonctionnent

vitesse variable, elles dbitent sur un redresseur diodes, puis la tension continue est convertie travers

un onduleur MLI pour tre compatible avec le rseau auquel elles sont connectes.

La figure- (I.19) montre une comparaison des performances nergtiques pour diffrenteschanes de conversion sur une machine tripale de 600 [kW] [28]. La solution de rfrence est rgulation

stall et gnratrice asynchrone cage une vitesse. La plus performante est rgulation pitch,

entranement direct de type synchrone. On peut remarquer que cest aux faibles vitesses de vent que lon

obtient les gains nergtiques les plus importants.

Fig- I.19: Comparaison des performances nergtiques de diffrentes chanes oliennes

Ces rsultats dpendent galement du profil des pales (ici type Goe 758), des conditions du vent,

notamment de lintensit des turbulences (ici 10%), de la vitesse de base normalise (ici = 6), dumoment dinertie du rotor (ici 500 [kg.m])


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Si le gnrateur lectrique est de type synchrone ou asynchrone directement coupl au rseau, la

vitesse est sensiblement constante et le rendement arodynamique ne peut tre maximal que pour une

seule vitesse du vent. Pour obtenir une vitesse variable, diffrentes mthodes ont t utilises.

I.3.2.2 Systmes en sites isols

Bien que les possibilits soient nombreuses pour le fonctionnement en site isol, on rencontre

trois familles de systmes : machines asynchrones nombre de ples variable pouvant fonctionner

deux vitesses, machines asynchrones cage variateur de frquence et les machines synchrones

galement variateur de frquence.

Pour les rseaux de petites puissances en site isol, une solution couramment employe consiste

associer les arognrateurs un ou des groupes lectrognes, souvent diesel. Dans la version la plus

rudimentaire, la gnratrice est de type asynchrone cage et est autoamorce par condensateurs [29].

Pour viter des dmarrages trop frquents du groupe lectrogne, ou pour assurer les transitions, des

batteries lectrochimiques, voire des accumulateurs inertiels, peuvent galement tre associes via un

convertisseur lectronique.

Une autre solution couramment employe consiste utiliser un bus continu intermdiaire avant

de transformer lnergie en courant alternatif. Dans le cas des trs petites puissances, lnergie est

directement consomme en courant continu.

Le bus continu prsente lavantage dinterconnecter plus aisment divers systmes de production

(olien, photovoltaque, pile combustible) et des batteries lectrochimiques qui peuvent se trouver

directement en tampon sur de tels bus.

La figure- (I.20)montre une solution de plus en plus employe pour associer un arognrateur un tel systme. La gnratrice est de type synchrone aimants permanents (entranement direct comme il

sagit de puissances modestes) dbitant directement, travers un pont de diodes triphas, sur le bus

continu et laccumulateur lectrochimique.

Fig- I.20:Arognrateur aimants dbitant directement travers un pontde diodes sur le bus continu [30]

Le dbit direct ( travers un simple redresseur en pont diodes) de la machine synchrone sur une

source de tension continue peut surprendre. En fait, cest grce linductance dinduit de la machine

synchrone de forte valeur que les courants restent proches des formes sinusodales et que les rendements

de conversion sont corrects. En cas de surcharge de la batterie (trop de tension), un contacteur met en

court-circuit linduit de la gnratrice. La turbine est alors arrte en rotation.

Les gnrateurs asynchrones nombre de ples variable pouvant fonctionner deux vitesses sont

construits selon le principe de deux en un , ce qui leur permet de fonctionner alternativement deuxvitesses diffrentes.


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Ces systmes sont constitus dun gnrateur de petite puissance pour des faibles vitesses du vent et un

autre plus grand pour des vitesses du vent grandes (figure- (I.21)).

Fig- I.21: Chane de conversion gnrateur asynchrone cage deux vitesses

Lintroduction de convertisseurs de puissance entre la machine et le rseau (figure- (I.22))permet de dcoupler la frquence du rseau de la vitesse de rotation de la machine et ainsi, de faire

fonctionner lolienne vitesse variable, ce qui permet doptimiser le rendement arodynamique de

lolienne.

Fig- I.22: Chane de conversion gnrateur asynchrone i cage et convertisseurs de frquence

Les oliennes gnrateur asynchrone ont toutes un multiplicateur de vitesse mcanique pour

adapter la vitesse de laroturbine la vitesse du gnrateur. Un raccordement direct un rseau CA

50 [Hz] sans multiplicateur nest possible quen imaginant une gnratrice asynchrone marche lente,

munie dune multitude de ples. Mais cela serait trs lourd et coterait trs cher.

Au contraire, les performances des machines synchrones multipolaires, notamment en termes de

couple massique, sont trs intressantes. Leur vitesse de rotation tant diffrente de celle lie la

frquence du rseau, le convertisseur de frquence simpose. Ce type de gnrateur inducteur bobin

ncessite un systme de bagues et balais pour transmettre le courant continu (figure- (I.23)). Le courantdexcitation constitue un paramtre de rglage qui peut tre utile pour loptimisation nergtique, en plus

du courant dinduit rgl par londuleur.

Fig- I.23: Chane de conversion gnrateur synchrone et convertisseurs de frquence


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Les oliennes pour les petits systmes lectriques isols utilisent des machines lectriques ayant

une petite taille [ ]( )10 kW . Elles reprsentent une bonne solution pour gnrer de llectricit basse

tension dans des endroits isols. Les gnrateurs fonctionnant lnergie olienne sont gnralement

utiliss pour des maisons, sur des bateaux voiles ou pour les relais de tlcommunication.

La conception des petits systmes oliens est considrablement diffrente de celle des oliennesconnectes aux grands rseaux. La plupart des petits systmes oliens utilisent les gnrateurs aimants

permanents et fonctionnent vitesse variable, do la ncessit dun onduleur pour obtenir une tension

alternative frquence constante si ncessaire [31]. La figure- (I.24)montre ce systme de plus en plusemploy par les fabricants.

Fig-I.24:Eolienne aimants permanents dbitant directement sur des batteries

En cas de surcharge de la batterie, un contacteur met en court-circuit linduit de la gnratrice. La

turbine est alors arrte. Une telle configuration de lolienne nexige aucun multiplicateur. Cette

approche est approprie pour les petites oliennes, car elles fonctionnent une vitesse de rotation

beaucoup plus leve que les grands systmes oliens. Cette approche est aussi considre plus fiable et

moins chre du point de vue de lentretien [27].

Une autre diffrence entre les petites et les grandes oliennes est le systme de commande. Parexemple, les petites oliennes peuvent avoir un systme mcanique de modification de langle de calage

des pales ou dorientation face au vent, alors que les grandes oliennes utilisent des systmes de

commande lectroniques.

Du point de vue conomique, lnergie produite par les petites oliennes est plus chre que celle

des grandes oliennes. Cependant, llectricit produite ne rivalise pas avec llectricit du rseau, mais

avec celle produite par dautres sources dnergie pour les sites isols, telles que les gnrateurs diesels

ou les panneaux photovoltaques.

I.3.3 Insertion des oliennes dans le paysageLa question de lesthtiqu

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