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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences Appliquées Département de Génie Electrique
Mémoire MASTER ACADEMIQUE
Domaine : Sciences et technologies Filière : Génie électrique
Spécialité : Electrotechnique Industrielle Présenté par :
Melle.BOUAFIA Asma Melle.NOURANI Fatima Thème:
Soutenu publiquement Le : 09/06/ 2015 Devant le jury :
Année universitaire 2014/2015
Mr BOUDJELLA Houari MA (A) Président UKM Ouargla
Mr Bouhadouza Boubekeur MA (B) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla
Mr Guehrar youcef MA (A) Examinateur UKM Ouargla
Stabilité transitoires des fermes éoliennes en présence du STATCOM
Merci Allah, (mon dieu) de m’avoir donné la capacité d’écrire et
de réfléchir, la force d’y croire la patience d’aller jusqu’au bout du
rêve et le bonheur de lever mes mains vers le ciel et de dire
« yaKayoum »
J’ai le grand plaisir de dédier ce modeste travail :
- A elle qui m’a donné la vie, le symbole de tendresse ; qui s’est sacrifiée pour mon bonheur et ma réussite, à ma mère.
- A mon père, pour ses encouragements son soutient, surtout pour son sacrifice afin que rien n’entrave le déroulement de
mes étude, merci père.
- A mes adorables sœurs. - A mon seul frère Mahdi - Nous prions le bon dieu tout puissant d’accepter les âmes des défunts khanfersalah et ben MekhlofOmaima dans son
vaste paradis, ces deux jeunes étudiant qui nous quittés à
jamais tout récemment.
- A ma famille sur toute ma grande mère - A mes cousin et cousine - A mes chers amis khaoula, Iman , faiza , Abdelrazak et Yassine et mes amis à l’université kasdimerbahouargla et
mes professeurs.
- Tous ceux que j’aime et je respecte.
Asma sima
*Je dédie ce modeste travail aux deux êtres qui me sont très chers dans cette vie, à savoir mon père et ma mère. Je leur dis merci papa du fond de mon cœur pour ton éducation, ton sacrifice, ton assistance et pour ce que tu m’as fait et qui m’a permis d’avoir cette réussite et ce bonheur. Je te dis merci et mille fois merci maman pour ta patience, ton courage et ton
sacrifice pour moi.
*Et pour autres choses encore merci dieu les protèges.*
A mes chers frères
A toute ma famille
A tous mes proches, A mes chers ami (e)s dans université
" Surtout a deux personne qui nous manquons cette année :
Oumaima BEN MAKHLOUF et SALAH KHANFAR "
Toute ma promotion de l’université KASDI-MERBAH OUARGLA
A tous ce qui m'ont porté leur soutien moral
Je dédié ce modeste travail
Avec mes sincères salutations à vous tous
Fatima
RemerciementsRemerciementsRemerciementsRemerciements Nous remercions le bon dieu de nous avoir donné du courage afin que ce mémoire vous soit présenté aujourd’hui. Nous exprimons notre reconnaissance à nous parents, qui nous ont tout donné et qui ont su de leurs précieux conseils nous inspirer le sens de la dignité du courage et du travail, qu’ils trouvent ici l’accomplissement de tous leurs vœux… Nous remercions vivement Monsieur M.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA BoubekeurM.BOUHADOUZA Boubekeur, , , , pour avoir accepté d'encadrer ce travail et pour tous les conseils qu'il nous a donnés, ainsi que les membres de jury, merci d’avoir accepté d’examiner et juger notre travail. Noustenons également à remercie le personnel du département pour nous avoir aidé, conseillé et encouragé. Par crainte d'avoir oublié quelqu'un, que tous ceux et toutes celles dont nous sommes redevables se voient ici vivement remerciés.
Sommaire
INTRODUCTION GENERALE……………………....... Xi
Chapitre I ……………………………………………………... Généralité sur système éolienne…………………………………
I.1. Introduction ……………………………………………………………….... 1
I.2 Situation énergétique mondiale……………………………………………... 1
I.3 Éolien ……………………………………………………………………….. 3
I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne………….. 3 I.3.2 Éolienne en Algérie…………………………………………………………. 4
I.3.3 Définition de l'énergie éolienne ……………………………………………… 5 I.3.4 Différents types d’éoliennes…………………………………………………... 6 I.3.4.1 Eoliennes axe vertical……………………………………………...……… I.3.4.2 Éolienne à axe horizontal …………………………………………………
6 8
I.4 Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique……............... 10
I.4.1 Loi de Betz……………………………………………………………………. 10
I.5 Stratégies et caractéristiques des pales…………………………………….. 11
I.5.1 le profil………………………………………………………………………... 11 I.5.2 Bilan des forces sur une pale…………………………………………………. 12 I.5.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne……………………….. 12
I.5.4 Systèmes de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne ………………. 14 I.5.4.1Système à décrochage aérodynamique "stall"…………………………. 14 I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch " ……………………………... 14 I.6 Différents technologies d’éoliennes …………………………………..………... 15 I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe………………………………………………………. 15 I.6.2 Éoliennes à vitesse variable…………………………………………………… 16 I .7Avantages et inconvénients des éoliennes……….………………………… 17 I.8 Types de conversions électromécaniques…………………………………… 18 I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil………………………………………... 18 I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné)…………………… 20 I.8.3.Générateur synchrone…………………………………………………………. 21 I.9 Conclusion………………………………………………..……………….. 21
Chapitre II……………………………………………………… Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS……………..
II.1. Introduction………………………………………………………………... 22 II.2 Stabilité des systèmes électrique…………………………………………… 22 II.2.1 Stabilité de tension………………………………………………………….. 23 II.2.2 Stabilité de fréquence………………………………………………………... 23 II.2.3 Stabilité angulaire…………………………………………………………... 24
II.2.3.1 Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique)….. 24
II.2.3.2 Stabilité angulaire aux grandes perturbations (stabilité transitoire)… 24
II.3 Moyens d’amélioration de la stabilité……………………………………… 25 II.3.1 Moyens classique……………………………………………………………. 25
II.3.2 Moyens modernes (FACTS)………………………………………………... 27
II.4 Conclusion…………………………………………………………………. 36
Chapitre III…………………………………………………….. Modèle du système étudie…………..........………… III.1. Introduction……………………………………………………………… 37
III.2. Modélisation du système………………………………………………... 37
III.2.1 Modélisation des éléments du réseau électrique…………………………... 37 III.2.2. Modélisation du générateur éolien………………………………………… 39
III.2.2.1. Le vent…………………………………………..…………………….. 39
III.2.2.2. La turbine éolien…………….…………...…………………………... 39 III.2.2.3. Modèle du multiplicateur……………………………………….......... 40 III.2.2.4. L’arbre mécanique…………………………………….……………… 41 III.2.2.5. Machine asynchrone à cage………………………………..………… 42
III.2.2.5.1.Equations électriques……………………………………………..... 43 III.2.2.5.2.Equations des flux…………………………………………………. 44 III.2.2.5.3.Transformation de PARK appliquée………………………….….... 45
III.2.2.5.4. Couple électromagnétique………………………………………..... 48 III.2.2.5.5. Modèle complet de la chaîne de conversion éolienne…………… 48
III.2.2.5.6. Caractéristique de la turbine éolienne basée sur la machine asynchrone à cage…………………………………………………
48
III.2.3. Modéle du STATCOM……………………………………………… 49 III.2.3.1. Modèle mathématique simplifié…………………………………......... 49 III.2.3.2. Modèle mathématique en considérant le circuit DC………………….. 51
III.3. Conclusion……………………………………………………………… 53
Chapitre IV…………………………………………………………….. SIMULATION ET INTERPRETATION DES RESULTATS……. IV.1 Introduction………………………………………………………………... 54
IV.2Conditions de raccordement des éoliennes au SEE……………………….. 54
IV.3Stabilité d’une génératrice asynchrone couplée au réseau électrique……… 54 IV.4 Description du réseau étudié………………………………………………. 55 IV.4.1Résultats de Simulation……………………………………………………... 56 IV.4.1.1 Sans défaut et sans compensation…………………………………….. 56 IV.4.1.2 Avec défaut triphasé est en absence de STATCOM………………….. 57 IV.4.1.3 En présence de STATCOM avec un défaut triphasé………………….. 59 IV.4.1.4 En présence de SVC avec un défaut triphasé…………………………. 61 IV.4.1.5 Comparaison entre STATCOM et SVC………………………………. 62 IV.5 Effets du STATCOM et SVC sur le temps critique………………………. 64 IV.6 Conclusion………………………………………………………………… 65
CONCLUSIONS GENERALES…………………............. P.C.1
ANNEXE Annexe A. paramètre de l’éolienne……………………………………………………. P.A.2 Annexe A. paramètre de l’éolienne……………………………………………………. P.B.2
Liste des figures Figure I-1 :Répartition des sources primaires d’énergie dans le monde [2]……….…. 2
Figure I-2 : présente un moulin à vent…………………………………………....…… 3
Figure I-3 : Représente la carte des vents à 10m/s en Algérie établie par le centre de
Développement des énergies renouvelable CDER laboratoire de l’énergie éolienne [3 ; 9]………………………..………………………………………………………..
5
Figure I-4 : Principe de la conversion d’énergie……………………………………… 5
Figure I-5: Eoliennes à axes vertical………………………………………………….. 6
Figure I-6 : Schéma de principe du rotor de Savonius………………………………... 7
Figure I-7 : Rotor d'une éolienne de Darrieus………………………………………… 7
Figure I-8: d’une éolienne àAxe horizontal amont……………………………………. 8 Figure I-9: d’une éolienne àAxe horizontal aval……………………………………… 8
Figure I-10 : Constitution d'une nacelle……………………………………………….. 9
Figure I-11 : Tube de courant autour d'une éolienne…………………………………... 10
Figure I-12 : Coefficient de puissance…………………………………………………. 11
Figure I-13 : Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe [12]………………………. 12
Figure I-14 : Bilan des forces sur une pale [8 ; 3]………………………….………….. 12
Figure I-15 : Zones de fonctionnement de la turbine [8 ; 3 ; 10]………………………. 13
Figure I-16: Flux d’air sur un profil de pale "stall" [10 ; 8 ; 13]……………………….. 14
Figure I-17 : Variation de l’angle de calage d’une pale [3 ;8 ; 10 ;13]…………………. 15
Figure I-18 : Éolien à vitesse fixe [8]…………………………………………………. 15
Figure I-19 : Éolien à vitessevariable…………………………………………………. 16
Figure I-20 : Caractéristique de la puissance générée en fonction de Ω[2 ; 3 ; 14]… 17
Figure I-21 : Caractéristique couple /vitesse d’une machine asynchrone à 2 paires de pôles [13 ; 4]…………………………………………………………………………
18
Figure I-22:Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil…………………….... 19 Figure I-23 : Eolienne directement connectée au réseau……………………………..… 19 Figure I-24: Machine asynchrone avec liaison indirecte au réseau……………………. 20 Figure I-25: Machine à induction à rotor bobiné……………………………………… 20
Figure II-1 : Classification de la stabilité des réseaux de puissances [27]…………….. 23 Figure II-2: Variation d’angle de rotor………………………………………………… 25 Figure II-3 : Principe de la compensation série………………………………………... 26
Figure II-4 : Schéma de TCR et TSC………………………………………………….. 30
Figure II-5 :Schéma de base d’un SVC………………………………………………… 31 Figure II-6 : Caractéristique d’un SVC………………………………………………... 31 Figure II-7 : (a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent…………………… 32 Figure II-8 : (a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC…………….. 33 Figure II-9 :Caractéristique statique du SSSC…………………………………………. 33 Figure II-10 :(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par un susceptance variable………………………………………………………………………………….
34
Figure II-11 :(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC... 35 Figure II- 12 :(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS…………………….. 36 Figure III.1 : Schéma équivalent d’une ligne électrique [8]…………………..…….… 38
Figure III.2 : Schéma équivalent d’un transformateur en [8]…………………………. 38
Figure III.3 : Schéma équivalent d’une charge………………………………………….. 38
Figure III.4 : Schéma de la turbine éolienne [14]…………………………………….… 39 Figure III.5 : Structure générale de la machine asynchrone [8]………………………… 42 Figure III.6: Repérage angulaire des systèmes d'axes dans l'espace électrique……….... 46 Figure III.7: Modèle de la chaîne de conversion éolienne fonctionnant à vitesse fixe….. 48 Figure III.8: Caractéristiques mécaniques de la turbine éolienne basée sur la MAS à cage…………………………………………………………………………………….
49
Figure III.9: Passage de repère (, ) vers le repère (, )…..………..………………... 50 Figure IV.1 : Réseau test étudié………………………………..……………………….. 56 Figure IV.2: Résultats de simulation avec la compensation (PFC) et sans défaut ........... 57 Figure IV.3:Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à t=15s…………………………………………………………………………
58
Figure IV.4 : Système avec la présence de STATCOM…………………..…………….. 59 Figure IV.5 : Résultats de simulations avec compensation(STATCOM) en présence de défaut……………………………………………………………………………………
60
Figure IV.6 : Système avec la présence de SVC……………………………...…… 61
Figure IV.7 : Résultats de simulation avec PFC et SVC avec un défaut triphasé…….… 62 Figure IV.8 : Simulation de compensation de STATCOM et SVC…………………...… 64 Figure IV.9 : Temps critique pour plusieurs valeurs de STATCOM et SVC…………… 65
Liste des tableaux
Tableau II.1 : Principaux dispositifs FACTS………………………………………. 28 Tableau II.2 : La correction via les FACTS………………………………………... 29
Tableau IV.1: Paramètres de bases du système étudié……………………………... 55 Tableau IV.2 : représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.... 64
Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne……………………………………. P A.1 Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne……………………………….. P A.1 Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne………………………….. P A.1 Tableau A.4. Paramètres de la ligne………………………………………………... P A.1 Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique…………………... P A.1 Tableau B.1. Paramètres du STATCOM…………………………………………... P B.2 Tableau B.2. Paramètres de l’SVC………………………………………………… P B.2
Listes des Acronymes et Symboles
Acronymes SEE Système électro-énergétique CCT Le critique d’alimentation de défaut FACTS Flexible AC Transmission System STATCOM Static synchronous compensator SVC Static Var Compensators MAS Machine Asynchrone MADA Machine Asynchrone a Double Alimentation PFC Power Factor compensator UPFC Unified Power Flow Controller SPS Static PhaseShifter EPRI Electric Power Research Institute IGBT InsulatedGateBipolar Transistors IGCT InsulatedGateCommutated Thyristors TCSC Thyristor ControlledSeriesCapacitor TCR Thyristor Controlled Reactor TSR Thyristor Switched Reactor SSSC Static Synchronous Séries Compensator DVR Dynamic Voltage Restorer GTO Gate Turn Off thyristor (thyristor commande a l’ouverture) MPPT Maximum Power Point Tracking
Symboles β L’angle d’orientation des pales. (deg) Ωmec vitesse de rotation du rotor de la génératrice(rad/s) Cp le coefficient de puissance densité volumique de l’air. (Kg/m3) Rt Rayon de la turbine (m) λ Le ratio de la vitesse V la vitesse du vent (m/s)
Caer couple aérodynamique(N.m)
ᵠ flux total à travers l’enroulement (web)
coefficient de frottements visqueux Cvis couple des frottements visqueux (N.m) Cem couple électromagnétique produit par la génératrice (N.m) Cmec couple mécanique (N.m)
Liste des tableaux
Tableau II.1 : Principaux dispositifs FACTS………………………………………. 28 Tableau II.2 : La correction via les FACTS………………………………………... 29
Tableau IV.1: Paramètres de bases du système étudié……………………………... 55 Tableau IV.2 : représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.... 64
Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne……………………………………. P A.1 Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne……………………………….. P A.1 Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne………………………….. P A.1 Tableau A.4. Paramètres de la ligne………………………………………………... P A.1 Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique…………………... P A.1 Tableau B.1. Paramètres du STATCOM…………………………………………... P B.2 Tableau B.2. Paramètres de l’SVC………………………………………………… P B.2
Introduction Générale
Master 2015 Xi
Introduction Générale
L’utilisation des énergies renouvelables n’est pas nouvelle. Celles-ci sont exploitées par
l’homme depuis la nuit des temps. Autrefois, moulins à eau, à vent, bois de feu, traction animale,
bateau à voile ont largement contribué au développement de l’humanité. Elles
constituaient une activité économique à part entière, notamment en milieu rural où elles
étaient aussi importantes et aussi diversifiées que la production alimentaire.
La consommation d’énergie mondiale et dans notre pays ne cesse d’augmenter. La grande partie
de l’énergie consommée provient des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon,
…etc.) dont l’utilisation massive peut conduire à l’épuisement de ces réserves et menace
réellement l’environnement.Cettemenace c’est manifesté principalement à travers la pollution et
le réchauffement global de la terre par effet de serre.L’utilisation de source d’énergie
renouvelable induit le concept de stockage d’électricité en raison de la disponibilité intermittente
de telles ressources .l’utilisation du stockage d’électricité est très diversifiée : les applications
stationnaires connectée ou non au réseau .en particulier, les sites géographiquement isolés et non
raccordés au réseau intégrant une source renouvelable [01].
parmi celles-ci l‘énergie éolienne qui apparait clairement en bonne place, non pas en
remplacement des sources conventionnelles, mais comme énergie complémentaire aux autres
énergie. Sa matière première «le vent» est gratuit. Cependant, sa connexion au réseau électrique
est un peut plus compliquée parce qu‘elle ne participe pas d‘une part au réglage de la
tension et de la fréquence ; et d‘autre part, son énergie est fluctuante. Ceci peut être considéré
comme une perturbation sur la puissance injectée dans le réseau et peut mettre en danger la
stabilité du réseau. En plus, les éoliennes modifient la structure du réseau, cette modification
change les comportements dynamiques des machines suite à une perturbation comme un court-
circuit.
Mais le problème majeur associé aux centrales éoliennes est qu’elles ne participent, en
général, pas aux services système (e.g. réglage de la tension, de la fréquence, possibilité de
fonctionner en îlotage). Elles posent notamment un certain nombre de problèmes au niveau de
leur intégration dans les réseaux, à savoir.
Et nouvellement et maintenir pour stabilité de réseau, et d'accélérer la vitesse de réponse,
récemment développés et connus sous l'appellation FACTS (Flexible Alternative Current
Transmission System) pour la compensation d’énergie réactive et le contrôle des réseaux. Le
Introduction Générale
Master 2015 Xii
Développement récent des dispositifs FACTS ouvre de nouvelles perspectives pour une exploitation
plus efficace des réseaux par action continue et rapide .Ainsi, les transits de puissance seront mieux
contrôlés et les tensions mieux tenues, ce qui permettra d'augmenter les marges de stabilité ou de
tendre vers les limites thermiques des lignes [2].
Le but de ce travail est l‘étude la stabilité d‘une ferme éolienne connectée à un réseau électrique
en présence d‘un système FACTS. Cette simulation oblige l‘utilisation d‘un certain nombre
d‘étapes. Ces étapes sont divisées en quatre chapitres organisés de la manière suivante :
Le premier chapitre fais l’objet de généralités sur de système l’éolien qui donne un aperçu sur
les différents types d’éoliennes (à l’axe vertical, horizontal), leurs caractéristiques
technologiques, leurs systèmes de régulation et de protection, ainsi que les différents types
de génératrices utilisées dans l’éolien ont été présentés.
Le second chapitre est présente généralité sur stabilité de réseau électrique auquel est
connecté un parc éolien en présentant les différents types de la stabilité de système électrique
avec les moyens d’amélioration via les systèmes FACTS (Flexible AC Transmission
Systems)comme le SVC, STATCOM, SSSC, TCSC et UPFC…etc. et on se limitera à l’étude
de l’impact de STATCOM dans les chapitres qui suivent.
Le troisième chapitre porte sur la modélisation de la chaine de conversion dans le système
éolienne (turbine + générateur). Puis le modèle du STATCOM.
Le quatrième chapitre, présente l’objectif principal de STATCOM qui va améliorer la stabilité
transitoire des fermes éoliennes.Des défauts ont été considérés pour étudier l’impact des
éoliennes sur la stabilité transitoire des systèmes électriques à partir de l’analyse des résultats
obtenus.
Pour une bonne compréhension du contenu du présent mémoire, quelques annexes sont
insérées à la fin. Ces annexes regroupent les paramètres d’une chaîne de conversion éolienne
basée sur la machine asynchrone à cage d'écureuil.Ainsi que les données du réseau électrique
test.
Chapitre I Généralité sur système éolienne
Page 1
I.1 Introduction :
Le vent est une source d’énergie renouvelable, économique, exploitable avec un bon niveau
de sécurité et respect de l’environnement.
L’énergie éolienne est une source d’énergie propre, durable comparée à celle due aux
combustibles fossiles utilisée par l’Homme depuis très longtemps déjà Pour cela, la plupart
des pays du monde ont pensés d’augmenter le taux énergétique via les sources renouvelables,
notamment, l’Europe (l’Allemagne, Danemark ….), l’Amérique (USA, Canada…). En
Algérie [8].
Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axe vertical ou à
axe horizontal) et les structures des capteurs sont de plus en plus performantes. Outre les
caractéristiques mécaniques de l'éolienne l'efficacité de la conversion de l'énergie mécanique
en énergie électrique est très importante. Là encore, de nombreux dispositifs existent et, pour
la plupart, ils utilisent des machines synchrones et asynchrones. Les stratégies de commande
de ces machines et leurs éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettent de
capter un maximum d'énergie sur une plage de variation de vitesse de vent la plus large
possible, ceci dans le but d'améliorer la rentabilité des installations éoliennes [3].
L’objectif de ce chapitre est de présenter le système éolien.On montre ses éléments et son
principe de fonctionnement, on présente les principaux types du système et leurs applications,
leurs systèmes de régulation mécanique utilisés pour avoir un meilleur rendement,Ainsiles
différents types des machines utilisées dans l‘éolienne.
I.2 Situation énergétique mondiale :
La consommation énergétique ne peut que croitre, pour deux raisons: l’uneest
l‘accroissement accéléré de la population, qui devrait atteindre huit milliards d‘individus en
2050, l‘autre réside dans le fait que les pays en développement ne peuvent élever leur niveau
de vie qu‘en augmentant notablement leur consommation énergétique. Cela laisse supposer
une demande fortement croissante en énergie électrique dans les prochaines années.
Les énergies renouvelables (hydraulique, solaire, éolienne, géothermique..) ne représentent
actuellement qu‘environ 20 % de la production mondiale d‘électricité ; en excluant
l‘hydroélectricité, ce taux tombe à 2 %. Dans un contexte de crise énergétique mondiale sous-
tendue par l‘impératif d‘un développement durable (problèmes environnementaux,
épuisement des ressources fossiles, …), les défis du futur énergétique nécessiteraient le
Chapitre I
développement des énergies renouvelables comme sources de substitution, propres et
inépuisables [3].
Les formes de production d’énergie non renouvelables engendrent une forte pollution
environnementale par :
• rejet des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.
• les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des
déchets radioactifs.
Figure I-1 :Répartition des sources primaires d’énergie dans
Il existe plusieurs ressources en énergies renouvelables :
• l'énergie hydraulique.
• l'énergie éolienne.
• l'énergie solaire thermique et photovoltaïque.
• l’énergie produite par les courants marins.
• la géothermie et la biomasse.
Ces ressources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres.
énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [
Généralité sur système éolienne
développement des énergies renouvelables comme sources de substitution, propres et
Les formes de production d’énergie non renouvelables engendrent une forte pollution
des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.
les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des
Répartition des sources primaires d’énergie dans le monde [
Il existe plusieurs ressources en énergies renouvelables :
l'énergie solaire thermique et photovoltaïque.
l’énergie produite par les courants marins.
la géothermie et la biomasse.
sources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres.
énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [
Généralité sur système éolienne
Page 2
développement des énergies renouvelables comme sources de substitution, propres et
Les formes de production d’énergie non renouvelables engendrent une forte pollution
des gaz à effet de serre, qui provoque un changement climatique irréversible.
les radiations de longue durée qui pose le problème, Aujourd’hui non résolu, du stockage des
le monde [2].
sources en énergie sont pratiquement inépuisables et propres. Les installations à
énergie renouvelable peuvent encore aujourd’hui avoir un coût important [2].
Chapitre I Généralité sur système éolienne
Page 3
I.3 Éolien :
Parmi toutes les énergies renouvelables l’éolienne est l’une des plus prometteuses,
l’évolution technologique (augmentation de la taille et de la puissance des
installations, optimisation des matériaux) alliée à la baisse continue des coûts de
production font actuellement de l’éolien l’une des énergies renouvelables les plus
compétitives.
Pour toutes ces raisons l’énergie issue du vent fait déjà partie intégrante du
Paysage et la tendance s’annonce irréversible [9].
I.3.1 Historique et croissance de l’exploitation de l’énergie éolienne :
Le vent, comme étant une source d’énergie traditionnelle non polluante, a été exploité depuis
plusieurs siècles pour la propulsion des navires (avant 3000 ans environ), l’entraînement des moulins
(environs 200000 moulins à vent en Europe vers le milieu du 19ème siècle), le pompage d’eau et le
forgeage des métaux dans l’industrie. Ces dernières utilisations sont toutes basées sur la conversion de
l’énergie du vent captée par des hélices en énergie mécanique exploitable.
Figure I-2 : présente un moulin à vent.
Ce n’est qu’après l’évolution de l’électricité comme forme moderne de l’énergie et les
recherches successives sur les génératrices électriques, que le danois Poul La Cour a construit
pour la première fois en 1891 une turbine à vent générant de l’électricité.
Après la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs danois ont amélioré cette
technologie durant la 1ère et la 2ème guerre mondiale avec une grande échelle [4].
C’est principalement la crise pétrolière de 1973 qui relança les études et les expériences
avec une échelle plus élevée [6,9], ce qui oblige plusieurs pays de commencer
l’investissement pour améliorer et moderniser la technologie des aérogénérateurs. Parmi ces
Chapitre I Généralité sur système éolienne
Page 4
investissements, on cite le premier marché important de la Californie entre 1980 et 1986,
notamment au début avec des turbines de moyenne puissance (55 kW), puis 144 machines
(avec un total de 7 MW) en 1981 et 4687 machines d’une puissance totale de (386 MW) en
1985.
Après ces années, le marché européen a réellement décollé, ce qui permet un
développement important de cette industrie de l’éolienne et surtout dans des pays comme
l’Allemagne, l’Espagne et le Danemark. Ces pays ont une contribution importante au marché
mondial qui atteint 10000 MW en 1998 et environ 47000 MW en 2004 avec une croissance
moyenne annuelle de 7500 MW [7].
I.3.2 Éolienne en Algérie :
En Algérie, au cours de dernières années, le ministère des mines et d’énergies à lance de
grands projets pour l’investissement aux énergies renouvelables comme les énergies éoliennes
et photovoltaïque surtout dans les sites isolent ou on peut les Produire. Les chercheurs veulent
toujours trouver des solutions adéquates de la cote énergétique en satisfaisant la demande
avec un cout minimum devant d’autres sources non renouvelables. Cependant, les éoliennes
ont quelques contraintes lors de la connexion aux réseaux électriques [8].
L’Algérie présente un potentiel éolien considérable qui peut être exploité pour la production
d’énergie électrique, surtout dans le sud où les vitesses de vents sont élevées et peuvent
dépasser 4m/s (6m/s dans la région de Tindouf), et jusqu’à 7m/s dans la région d’Adrar.
Les ressources énergétiques de l’Algérie ont déjà été estimées par le CDER depuis les années 90 à
travers la production des atlas de la vitesse du vent et du potentiel énergétique éolien disponible en
Algérie.
Ceci a permis l’identification de huit zones ventées susceptibles de recevoir des installations
éoliennes :
• deux zones sur le littoral
• trois zones sur les hauts plateaux
• et quatre zones en sites sahariens [3].
Chapitre I
Figure I-3 :Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans
I.3.3 Définition de l'énergie éolienne
Un système éolien ou avec un autre terme un aérogénérateur ou encore une éolienne peut être
défini comme étant : un système composé d‘éléments aptes à transformer une partie de
l‘énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie
électrique. La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les grands, sont à axe
horizontal. La part de marché représentée par les systèmes à axe vertical est minuscule. Les
aérogénérateurs de grande taille sont parfois construits isolément ou rassemblés en groupes
(parcs d‘éoliennes) comportant dix éléments ou plus, parfois même des centaines.
Figure
Généralité sur système éolienne
Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans
[3 ;9].
Définition de l'énergie éolienne :
Un système éolien ou avec un autre terme un aérogénérateur ou encore une éolienne peut être
défini comme étant : un système composé d‘éléments aptes à transformer une partie de
cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie
électrique. La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les grands, sont à axe
horizontal. La part de marché représentée par les systèmes à axe vertical est minuscule. Les
aérogénérateurs de grande taille sont parfois construits isolément ou rassemblés en groupes
(parcs d‘éoliennes) comportant dix éléments ou plus, parfois même des centaines.
Figure I-4 : Principe de la conversion d’énergie.
Généralité sur système éolienne
Page 5
Represente la valeur moyenne annuelle de la vitesse du vent dans l’Algèrie.
Un système éolien ou avec un autre terme un aérogénérateur ou encore une éolienne peut être
défini comme étant : un système composé d‘éléments aptes à transformer une partie de
cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie
électrique. La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les grands, sont à axe
horizontal. La part de marché représentée par les systèmes à axe vertical est minuscule. Les
aérogénérateurs de grande taille sont parfois construits isolément ou rassemblés en groupes
(parcs d‘éoliennes) comportant dix éléments ou plus, parfois même des centaines.
Principe de la conversion d’énergie.
Chapitre I Généralité sur système éolienne
Page 6
I.3.4Différents types d’éoliennes :
Il existe deux types d'éoliennes modernes : celle a axe horizontal dont le rotor ressemble à
une hélice d’avion ; et l'éolienne à axe vertical dont la forme s'apparente à celle d'un batteur à
œuf à l’envers.
I.3.4.1 Eoliennes (axe vertical) :
Figure I-5: Eoliennes à axes vertical.
Les caractéristiques de ce type:
• Les pylônes des éoliennes à axe vertical sont courts, entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du
rotor. Cela permet de placer tout le dispositif de conversion de l'énergie au pied de
L’éolienne.
• facilitant ainsi les opérations de maintenance.
• doivent être entraînées au démarrage et le mât subit de fortes contraintes mécaniques.
• Elles sont d’une conception simple qui ne nécessite pas de système d’orientation par
rapport au sens du vent, mais elles ont une vitesse de rotation lente.
• Elles démarrent à des vitesses de vent faibles voisines de 2 à 3 m/s
Les deux types de structures d'éoliennes à axe vertical [4]:
Le rotor de Savonius :
Chapitre I
Figure
Le fonctionnement est basé sur le principe de la traînée différentielle. Les efforts exercés par
le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensités différentes. Il en résulte un
couple entraînant la rotation de l'ensemble.
Le rotor de Darrieus:
Il Est basé sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil placé dans un
écoulement d'air selon différents angles, est soumis à des forces d'intensités et de directions
variables. La résultante de
dispositif.
Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus:
• le rotor cylindrique
• le rotor tronconique
• Le rotor parabolique [4].
Figure
Généralité sur système éolienne
FigureI-6 :Schéma de principe du rotor de Savonius
Le fonctionnement est basé sur le principe de la traînée différentielle. Les efforts exercés par
le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensités différentes. Il en résulte un
on de l'ensemble.
Il Est basé sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil placé dans un
écoulement d'air selon différents angles, est soumis à des forces d'intensités et de directions
variables. La résultante de ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du
Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus:
Figure I-7 :Rotor d'une éolienne de Darrieus.
Généralité sur système éolienne
Page 7
de principe du rotor de Savonius .
Le fonctionnement est basé sur le principe de la traînée différentielle. Les efforts exercés par
le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont d'intensités différentes. Il en résulte un
Il Est basé sur le principe de la variation cyclique d'incidence. Un profil placé dans un
écoulement d'air selon différents angles, est soumis à des forces d'intensités et de directions
ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du
Chapitre I
I.3.4.2 Éolienne à axe horizontal
I.3.4.2.1 Architecture d’une éolienne à axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.
Elles sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamique ment
d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour
générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production
d'électricité varie classiquement entre 1 e
un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitess
éolien. Ce type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un
coût moins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du
récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l'efficacité. Notons cependant que
certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des
Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas
éoliennes à axe horizontal.
Il existe deux catégories d'éolienne à axe
Amont : le vent souffle sur le devant des pales en direction
rigides, et le rotor est orienté selon la direction du vent par un dispositif.
Aval : le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,
auto-orientable.
Figure I-8: d’une éolienne à
Axe horizontal amont.
Généralité sur système éolienne
à axe horizontal :
d’une éolienne à axe horizontal :
à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.
Elles sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamique ment
d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour
générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production
d'électricité varie classiquement entre 1 et 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue
un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation du capteur
type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un
oins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du
récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l'efficacité. Notons cependant que
certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des
Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas
Il existe deux catégories d'éolienne à axe horizontal :
le vent souffle sur le devant des pales en direction de la nacelle. Les pales sont
rigides, et le rotor est orienté selon la direction du vent par un dispositif.
le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,
d’une éolienne à Figure I-9 : d’une éolienne à
Axe horizontal aval.
Généralité sur système éolienne
Page 8
à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent.
à la manière des ailes
d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour
générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production
t 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue
e de rotation du capteur
type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles représentent un
oins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et la position du
récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l'efficacité. Notons cependant que
certains travaux défendent la viabilité du rotor vertical en réalisant des études multicritères.
Les concepts abordés dans la suite de cette étude se limiteront uniquement au cas des
de la nacelle. Les pales sont
rigides, et le rotor est orienté selon la direction du vent par un dispositif.
le vent souffle sur l'arrière des pales en partant de la nacelle. Le rotor est flexible,
d’une éolienne à
Axe horizontal aval.
Chapitre I
Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des
différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de
quatre éléments principaux
Le mât (Tour):
C’est un élément porteur, généralement un tube en acier
l’augmentation des puissances no
pour éviter les perturbations
longues [3]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les
câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de
connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.
Les pales :
Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie
classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (
représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle
et le bruit [3].
La nacelle :
Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien
générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque
le système en cas de surcharge, le
asynchrone, les systèmes
aérodynamique) et de la nacelle
l‘aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).
Généralité sur système éolienne
existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des
différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de
quatre éléments principaux :
C’est un élément porteur, généralement un tube en acier ou un treillis métallique.
l’augmentation des puissances nominales des éoliennes, le mat devient de plus en plus
éviter les perturbations près du sol mais aussi permettre l’util
]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les
rt de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de
connexion au réseau de distribution et l’échelle d’accès à la nacelle.
Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie
1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le
représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle
Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien
générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque
surcharge, le générateur qui est généralement une m
asynchrone, les systèmes hydrauliques ou électriques d‘orientation des
aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par
l‘aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).
Figure I-10 : Constitution d'une nacelle.
Généralité sur système éolienne
Page 9
existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des
différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement constituée de
ou un treillis métallique. Avec
minales des éoliennes, le mat devient de plus en plus haut
du sol mais aussi permettre l’utilisation de pales plus
]. La tour a une forme conique ou cylindrique. A l’intérieur sont disposés les
rt de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, l’appareillage de
Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie
concept danois) étant de loin le plus répandu car il
représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle
Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au
générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque qui permet d‘arrêter
qui est généralement une machin synchrone ou
hydrauliques ou électriques d‘orientation des pales (frein
pour garder la surface balayée par
Chapitre I
I.3.4.2 .2 Taille des aérogénérateurs
Avant le développement récent et le besoin de fournir des puissances croissantes auréseau,
les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissan
donc plus grandes, Pour utiliser le maximum de la force du vent, on cherche à ce que l'hélice
balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont
pour ne pas subir les effets de sol qui freinent le vent
I.4 Energie cinétique du vent
I.4.1 Loi de Betz :
Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(
on a représenté la vitesse du vent
En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la
vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne
travers le rotor V2 soit
des pales en une seconde est:
La puissance Pm alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la
diminution de la vitesse du vent (seconde loi
Soit en remplaçant m par son expression dans (I.1):
Figure
Généralité sur système éolienne
des aérogénérateurs :
Avant le développement récent et le besoin de fournir des puissances croissantes auréseau,
les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissan
donc plus grandes, Pour utiliser le maximum de la force du vent, on cherche à ce que l'hélice
balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont
pour ne pas subir les effets de sol qui freinent le vent [4].
Energie cinétique du vent – conversion en énergie mécanique
Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(
on a représenté la vitesse du vent en amont de l'aérogénérateur et la vitesse
En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la
vitesse du vent non perturbé à l'avant de l'éolienne et la vitesse du vent après passage à
, la masse d'air en mouvement de densité
des pales en une seconde est:
2
alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la
diminution de la vitesse du vent (seconde loi de Newton) :
p 1 22
Soit en remplaçant m par son expression dans (I.1):
1 21 24
Figure I-11 :Tube de courant autour d'une éolienne.
Généralité sur système éolienne
Page 10
Avant le développement récent et le besoin de fournir des puissances croissantes auréseau,
les constructeurs et les chercheur mettent au point des éoliennes de plus en plus puissantes
donc plus grandes, Pour utiliser le maximum de la force du vent, on cherche à ce que l'hélice
balaie une surface ou le vent est maximum, pour cela les éoliennes sont très haut perchées
onversion en énergie mécanique :
Considérons le système éolien à axe horizontal représenté sur la Figure(I .11) sur lequel
en amont de l'aérogénérateur et la vitesse en aval.
En supposant que la vitesse du vent traversant le rotor est égale à la moyenne entre la
et la vitesse du vent après passage à
traversant la surface S
alors extraite s'exprime par la moitié du produit de la masse et de la
Tube de courant autour d'une éolienne.
(I.1)
(I.2)
(I.3)
Chapitre I
Un vent théoriquement non perturbé tr
vitesse, soit à la vitesse V1
Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible
estalors :
Si on représente la caractéristique corresp
s'aperçoit que le ratio Pm/16/27 soit 0,59. C'est cette lim
maximale extractible pour une vitesse de vent donnée. Cette limite n'est en réalité jamais
atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en
fonction de la vitesse relative
pales de l'éolienne et la vitesse du vent
Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il
définir les différentes catégories de puissance dans une turbine éolienne.
I.5 Stratégies et caractéristiques des pales
I.5.1 le profil :
Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en coupe.
Il existe plusieurs classes de profils
fonction de la forme du squelette, du pourcentage d'épaisseur par rapport à la longueur de la
Généralité sur système éolienne
Un vent théoriquement non perturbé traverserait cette même surface S
1, la puissance correspondante serait alors
ρsv1³2
Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible
"#$%"&#$%
Si on représente la caractéristique correspondante à l'équation ci-dessus appelé aussi coefficient de puissance Cp présente un maxima de
cette limite théorique appelée limite de Betz
maximale extractible pour une vitesse de vent donnée. Cette limite n'est en réalité jamais
atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en
n de la vitesse relative λreprésentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des
pales de l'éolienne et la vitesse du vent [10].
Figure I-12 :Coefficient de puissance.
Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il
définir les différentes catégories de puissance dans une turbine éolienne.
et caractéristiques des pales :
Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en coupe.
plusieurs classes de profils et le plus utiliséprofil NACA [23].
fonction de la forme du squelette, du pourcentage d'épaisseur par rapport à la longueur de la
Généralité sur système éolienne
Page 11
averserait cette même surface S sans diminution de
correspondante serait alors :
Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible
dessus Figure(I-12), on
présente un maxima de
Betzqui fixe la puissance
maximale extractible pour une vitesse de vent donnée. Cette limite n'est en réalité jamais
atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en
représentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des
Après avoir énoncé la théorie de Betz et présenté le coefficient de puissance, il convient de
définir les différentes catégories de puissance dans une turbine éolienne.
Le profil aérodynamique d’une pale correspond à la forme que possède la pale vue en coupe.
[23]. Elles sont définies en
fonction de la forme du squelette, du pourcentage d'épaisseur par rapport à la longueur de la
(I.4)
(I.5)
Chapitre I
corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée ex
surface inférieure est appelée intrados
FigureI-13
I.5.2 Bilan des forces sur une pale
La vitesse du vent arrivant face à cette pale, est représentée par
'()))))))*représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de
ces deux vecteurs est appelée
sedécompose en une poussée axiale
mat et une poussée en direction de
Chaque turbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne sa valeur
nominale pour une vitesse de
trop élevée ou si la génératrice nécessite une
extraite par l'éolienne doit être limi
de calage et l'angle d'incidence.
Figure
I.5.3 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne :
L'objectif de cette régulation est double, d'une part d
d'autre part de délimiter la puissance
développer une puissance nominale
Généralité sur système éolienne
corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée ex
surface inférieure est appelée intrados [12].
13 : Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe
I.5.2 Bilan des forces sur une pale :
vent arrivant face à cette pale, est représentée par le
représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de
ces deux vecteurs est appelée'+)))))*. L'action du vent sur la pale produit une force
sedécompose en une poussée axiale,-.)))))*directement compensée par la résistance mécanique du
une poussée en direction de la rotation,'()))))))*qui produit effectivement le
Chaque turbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne sa valeur
pour une vitesse de vent nominale donnée. Lorsque la vitesse
si la génératrice nécessite une vitesse de rotation fixe,
extraite par l'éolienne doit être limitée à sa valeur nominale. / et i sont respectivement l'angle
de calage et l'angle d'incidence. [10 ;4 ;8].
Figure I-14 :Bilan des forces sur une pale [8 ;3].
mécanique de la puissance d’une éolienne :
L'objectif de cette régulation est double, d'une part de protéger l'éolienne contre le
d'autre part de délimiter la puissance [8]. Une turbine éolienne est dimensionnée pour
développer une puissance nominale01à partir d’une vitesse de vent nominale
Généralité sur système éolienne
Page 12
corde et de la symétrie. La surface supérieure d’un profil est appelée extrados, tandis que la
Profil d’une pale à partir d’une vue en coupe [12].
le vecteur*. Le vecteur
représente la composante de vent due à la rotation de l'aérogénérateur. La résultante de
. L'action du vent sur la pale produit une force,'2+qui
la résistance mécanique du
qui produit effectivement le déplacement.
Chaque turbine éolienne est ainsi dimensionnée pour que cette force atteigne sa valeur
vent nominale donnée. Lorsque la vitesse du vent devient
vitesse de rotation fixe, la puissance
sont respectivement l'angle
.
mécanique de la puissance d’une éolienne :
e protéger l'éolienne contre le vent fort et
Une turbine éolienne est dimensionnée pour
nominale3, au-delà de
Chapitre I
cette vitesse, les paramètres d
nominale et de ne pas produireau
endommager la turbine. On peut définir quatre z
distinguées :
FigureI-15
- La phase (zones I) de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque
la vitesse mécanique atteint environ 70%
puissance électrique reste assez faible.
- La phase d‘extraction de la puissance
Power Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut at
valeur proche de la vitesse nominale. La puissance
de calage des pales / reste
puissance maximal. La puissance maximale
vitesse mécanique et pour des vitesses de vent
- La phase à vitesse mécanique quasi constante
afin d‘obtenir une puissan
puissance électrique augmente très rapidement
- La phase à puissance constante
l‘angle de calage des pales devient important afin de conserver la puissance électrique
constante et nominale.
Par sécurité, si la vitesse du
l‘angle de calage des pales se fixe à 90°.
fonctionnement de l‘éolienne jusqu’
Généralité sur système éolienne
paramètres de la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance
nominale et de ne pas produireau-delà d'une vitesse maximale max V qui pourrait
urbine. On peut définir quatre zones de fonctionnement,
15 :Zones de fonctionnement de la turbine [8 ;3
de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque
atteint environ 70% de la vitesse de synchronisme
assez faible.
de la puissance maximale (zones II) ou phase MPPT (Maximum
Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut at
valeur proche de la vitesse nominale. La puissance électrique augmente rapidement. L‘angle
reste constant à sa valeur minimale afin d‘obtenir
puissance maximal. La puissance maximale est ainsi obtenue pour chaque
pour des vitesses de vent moyennes (7-13 m/s
à vitesse mécanique quasi constante (zones III): l‘angle/ de calage des pales varie
puissance électrique maximale pour différentes valeurs
électrique augmente très rapidement jusqu‘à sa valeur nominale.
La phase à puissance constante (zones IV) : lorsque la vitesse du vent augmente encore,
l‘angle de calage des pales devient important afin de conserver la puissance électrique
du vent devient trop importante et risque d‘endommager
ales se fixe à 90°. C‘est la mise en drapeau qui met
fonctionnement de l‘éolienne jusqu’à ce que la vitesse du vent devienne moins importante.
Généralité sur système éolienne
Page 13
e la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance
delà d'une vitesse maximale max V qui pourrait
de fonctionnement, peuvent être
;3 ; 10].
de démarrage de la machine. : la production électrique commence lorsque
synchronisme de la génératrice. La
ou phase MPPT (Maximum
Point Tracking) : dans cette zone, la vitesse mécanique varie et peut atteindre une
e rapidement. L‘angle
stant à sa valeur minimale afin d‘obtenir un coefficient de
t ainsi obtenue pour chaque valeur de la
13 m/s environ).
de calage des pales varie
différentes valeurs de vent. La
jusqu‘à sa valeur nominale.
: lorsque la vitesse du vent augmente encore,
l‘angle de calage des pales devient important afin de conserver la puissance électrique
portante et risque d‘endommager l‘éolienne,
C‘est la mise en drapeau qui met fin au
à ce que la vitesse du vent devienne moins importante.
Chapitre I
I.5.4 Systèmes de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne
I.5.4.1Système à décrochage aérodynamique
Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une
fixe. Le système de limitation de vitesse le plus simple
forme de la pale, dit « stall ».
si la vitesse du vent dépasse sa
pale n’est plus optimale.
conséquent une baisse du coefficient de puissance qui empêc
vitesse de rotation, comme montrée à la figure
mais il manque de précision car
des pales.Il peut être amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle
(système " stall actif" ) pouvant
du vent. La pale est inclinée de façon à diminuer l’angle de calage
" stall" de la pale, lorsque la vitesse du vent est forte [8
Figure I-16
I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch "
L’étude mécanique des pales de la turbine éolienne
dépendent des caractéristiques climatiques, de la puissance à
d’orientation des pales est considérée comme un facteur efficace pour le système qui ne subit
pas des contraintes soit électrique ou mécanique
Lorsque le vent souffle, les pales d
une vitesse relativement constante. En effet, l’angle d’orientations des pales augmente quand
la vitesse du vent est considérablement importante jusqu’à la mise en drapeau des pales. Ceci
pouvant entrainer la suspension de la production d’énergie
Généralité sur système éolienne
de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne
à décrochage aérodynamique "stall" :
Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une
Le système de limitation de vitesse le plus simple est un moyen naturel intrinsèque à la
rme de la pale, dit « stall ». Lorsque l’angle d’incidence 4 devient important, notamment
si la vitesse du vent dépasse sa valeur nominale 5, l’aspiration créée par le
optimale. Ceci entraine des turbulences à la surface de
une baisse du coefficient de puissance qui empêche alors une augmentation de la
comme montrée à la figure (I-16)Le système aérodynamique est simple
il manque de précision car il dépend de la masse volumique de l’air et de la rugosité
amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle
) pouvant ainsi maximiser l’énergie captée pour les faibles vitesses
du vent. La pale est inclinée de façon à diminuer l’angle de calage / et renforcer ainsi l’effet
la vitesse du vent est forte [8 ;13].
16: Flux d’air sur un profil de pale"stall" [10 ;
I.5.4.2 Système d’orientation des pales " pitch " :
ales de la turbine éolienne est entièrement importante. En effet, elles
dépendent des caractéristiques climatiques, de la puissance à fournir …etc. La technique
d’orientation des pales est considérée comme un facteur efficace pour le système qui ne subit
pas des contraintes soit électrique ou mécanique comme montré à lafigure
Lorsque le vent souffle, les pales décalent à un angle / donné, pour que la génératrice reçoive
une vitesse relativement constante. En effet, l’angle d’orientations des pales augmente quand
la vitesse du vent est considérablement importante jusqu’à la mise en drapeau des pales. Ceci
ension de la production d’énergie.[8 ;13].
Généralité sur système éolienne
Page 14
de régulation de la vitesse de rotation de l’éolienne :
Généralement, les éoliennes connectées au réseau électrique exigent une vitesse de rotation
est un moyen naturel intrinsèque à la
devient important, notamment
, l’aspiration créée par le profil de la
la surface de la pale, et par
he alors une augmentation de la
système aérodynamique est simple
masse volumique de l’air et de la rugosité
amélioré en autorisant une légère rotation de la pale sur elle-même
captée pour les faibles vitesses
et renforcer ainsi l’effet
;8 ;13].
entièrement importante. En effet, elles
fournir …etc. La technique
d’orientation des pales est considérée comme un facteur efficace pour le système qui ne subit
igure (I-17).
donné, pour que la génératrice reçoive
une vitesse relativement constante. En effet, l’angle d’orientations des pales augmente quand
la vitesse du vent est considérablement importante jusqu’à la mise en drapeau des pales. Ceci
Chapitre I
Figure I-17 : Variation de l’angle de calage d’une pale
I.6 Différents technologies
Il existe essentiellement deux
vitesse variable.
I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe
Les éoliennes de grande puissance mise en service reposent sur l’utilisation des machines
asynchrones à cage directement
un multiplicateur et sa vitesse est maintenue approximativement cons
mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en
synchronisme c'est-à-dire à une
(souventΩs= 1500 t/ min
génératrice avec uneconvention moteur
hydrauliques ou électriques, permet l’augmen
alorsêtre limitée à la puissance nominale de la
technique permet la mise en drapeau des pales
Les principaux avantages des éoliennes à vitesse
- Système électrique plus simple
- Plus grande fiabilité [3] ;
- Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne
- Pas besoin de système électrique de commande
- Moins cher [3].
Généralité sur système éolienne
Variation de l’angle de calage d’une pale [3 ;8
I.6 Différents technologies d’éoliennes :
Il existe essentiellement deux technologies d’éoliennes, celles à vitesse constante et celles à
I.6.1. Éoliennes à vitesse fixe :
Les éoliennes de grande puissance mise en service reposent sur l’utilisation des machines
asynchrones à cage directement couplée au réseau électrique. Cette machine
sa vitesse est maintenue approximativement cons
mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en
dire à une vitesseΩs (1 - g) avec Ωs est la vitesse de
= 1500 t/ min) et g est le glissement, avec g˂ 0 pour un fonctionnement en
convention moteur(׀g1% ≥׀)). La rotation des pales par des actionneur
hydrauliques ou électriques, permet l’augmentation de l’angle de calage β
alorsêtre limitée à la puissance nominale de la génératrice. Lors de fort vent, cette
technique permet la mise en drapeau des pales/ 90° [8].
FigureI-18 :Éolien à vitesse fixe [8].
Les principaux avantages des éoliennes à vitesse fixe sont les suivants :
Système électrique plus simple ;
Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne
Pas besoin de système électrique de commande [3] ;
Généralité sur système éolienne
Page 15
;8 ; 10 ;13].
vitesse constante et celles à
Les éoliennes de grande puissance mise en service reposent sur l’utilisation des machines
machine est entrainée par
sa vitesse est maintenue approximativement constante par un système
mécanique d’orientation des pales (pitch control). La machine fonctionne alors en hyper-
est la vitesse de synchronisme
un fonctionnement en
. La rotation des pales par des actionneurs,
tation de l’angle de calage β. La puissance peut
génératrice. Lors de fort vent, cette
:
Peu de probabilité d’excitation des fréquences de résonance des éléments de l’éolienne ;
Chapitre I
I.6.2 Éoliennes à vitesse variable
Les deux structures existantes des éoliennes à vitesse variable s
25). La configuration de la figure
pilotée au stator de manière à
La configuration de lafigure
alimentation et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermé
convertisseurs de puissance,
Les principaux avantages des éoliennes à vitesse variable
- Pour les faibles vitesses de vent où le maximum depuissance est converti,
l’augmenter la puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement
[8].
- Une meilleure exploitation de l‘énergie du vent
- Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente
- Elle adapte l’intégration de
I.6.2.1 Intérêt de la vitesse variable :
La caractéristique générale de la puissance convertie par une turbine éolienne en fonction de
sa vitesse est représentée sur la Figure
Généralité sur système éolienne
à vitesse variable :
Les deux structures existantes des éoliennes à vitesse variable sont présentées sur la
ion de la figure I-19 (a), est basée sur une machine asynchrone à cage,
pilotée au stator de manière à fonctionner à vitesse variable, par des convertisseurs statiques.
igure I-19 (b), est basée sur une machine asynchrone à
et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermé
puissance, situés au circuit rotorique [14].
Figure I-19 : Éolien à vitessevariable.
Les principaux avantages des éoliennes à vitesse variable :
de vent où le maximum depuissance est converti,
puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement
Une meilleure exploitation de l‘énergie du vent [3].
Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente
Elle adapte l’intégration de l’éolienne dans le réseau électrique [8].
de la vitesse variable :
La caractéristique générale de la puissance convertie par une turbine éolienne en fonction de
sa vitesse est représentée sur la Figure(I-20):
Généralité sur système éolienne
Page 16
ont présentées sur la Figure(I-
, est basée sur une machine asynchrone à cage,
fonctionner à vitesse variable, par des convertisseurs statiques.
, est basée sur une machine asynchrone à double
et à rotor bobiné. La vitesse variable est réalisée par l’intermédiaire des
de vent où le maximum depuissance est converti, ce qui entraine
puissance générée au système ; augmentation de la plage de fonctionnement
Le bruit lors de fonctionnement à faible puissance est réduit car la vitesse est lente [8].
La caractéristique générale de la puissance convertie par une turbine éolienne en fonction de
Chapitre I
Figure I-20 : Caractéristique de la puissance générée en foncti
Pour une vitesse de ventpuissance nominale (point A).
génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne
2éme caractéristique (point B)
Principaux avantages
• Meilleur rendement énergétique.
• Meilleur qualité d’énergie électrique.
• Moins d’efforts mécaniques subis par le train de puissance.
• Le maximum théorique est atteint [3].
Inconvénients :
• Utilisation de machines spéciales.
• Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).
• Complexité des convertisseurs de puissance utilisés.
• La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de
puissance optimum de l’éolienne [
I .7 Avantages et inconvénients des
Avantage :
- L’énergie éolienne est une
- les lieux généralement très proches
- C’est l’énergie la moins chère
Généralité sur système éolienne
Caractéristique de la puissance générée en fonction de
et une vitesse mécanique de la génératrice
(point A). Si la vitesse du vent passe de à, et que la vitesse de la
génératrice reste inchangée (cas d’une éolienne à vitesse fixe), la puissance
2éme caractéristique (point B) [14].
avantages de ce type:
Meilleur rendement énergétique.
d’énergie électrique.
Moins d’efforts mécaniques subis par le train de puissance.
Le maximum théorique est atteint [3].
Utilisation de machines spéciales.
Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).
Complexité des convertisseurs de puissance utilisés.
La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de
l’éolienne [4].
Avantages et inconvénients des éoliennes :
énergie renouvelable et locale ;
les lieux généralement très proches [11] ;
C’est l’énergie la moins chère ;
Généralité sur système éolienne
Page 17
on de Ω2:[2 ; 3 ;14].
énératrice Ω1, on obtient une
, et que la vitesse de la
à vitesse fixe), la puissance se trouve sur la
Coûts supplémentaires plus importants (convertisseur, commande,..).
La gestion du transfert de puissance entre les convertisseurs, et placement au point de
Chapitre I
- La période de haute productivité se situe en hiver,
où la demande en électricité est plus forte
- Pour les éoliennes à axe horizontal,
pales [14] ;
- Et pour éoliennes à axe vertical,
sol donc facilement accessibl
- ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà
Inconvénients :
- Le bruit aérodynamique lié à la vitesse de rotation du rotor
- L’impact sur les parcours migratoires des oiseaux et l’impact visuel
- La perturbation de la récep
images télévisées ;
- La qualité stochastique de
l’instabilité de la production
- C’est une source couteuse à
I.8 Types de conversions électromécaniques :
I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil :
La plupart des applications utilisant
fonctionnement en moteur, mais
robustesse et de faible coût ainsi que l'absence de balais
sur des bagues la rendent tout à fait appropriée pour l'utilisation dans lesconditions parfois
extrêmes que présente l'énergie éolienne.
Figure I-21 : Caractéristique couple /vitesse d’une machine a
Généralité sur système éolienne
productivité se situe en hiver, ce qui correspond à la période de l’année
électricité est plus forte ;
Pour les éoliennes à axe horizontal, Une plus grande efficacité en raison de la hauteur de
Et pour éoliennes à axe vertical, Les organes de commande et le générateur sont au niveau du
sol donc facilement accessibles.
ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà
Le bruit aérodynamique lié à la vitesse de rotation du rotor [11] ;
L’impact sur les parcours migratoires des oiseaux et l’impact visuel ;
réception des ondes hertziennes, ce qui provoque la distorsion des
La qualité stochastique de la puissance électrique à cause du vent aléatoire qui provoque
l’instabilité de la production ;
C’est une source couteuse à rendement faible dans les sites moins ventés
I.8 Types de conversions électromécaniques :
I.8.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil :
applications utilisant la machine asynchrone sont destinées à un
fonctionnement en moteur, mais cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de
robustesse et de faible coût ainsi que l'absence de balais-collecteurs ou de contacts glissants
sur des bagues la rendent tout à fait appropriée pour l'utilisation dans lesconditions parfois
mes que présente l'énergie éolienne.
Caractéristique couple /vitesse d’une machine asynchrone à 2 paires de pôles
[13 ;4].
Généralité sur système éolienne
Page 18
ce qui correspond à la période de l’année
Une plus grande efficacité en raison de la hauteur des
Les organes de commande et le générateur sont au niveau du
ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà.
tion des ondes hertziennes, ce qui provoque la distorsion des
la puissance électrique à cause du vent aléatoire qui provoque
rendement faible dans les sites moins ventés[11].
machine asynchrone sont destinées à un
cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de
collecteurs ou de contacts glissants
sur des bagues la rendent tout à fait appropriée pour l'utilisation dans lesconditions parfois
synchrone à 2 paires de pôles
Chapitre I
Figure I-22:
• Pour assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse
de rotation proche du synchronisme
• Si le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).
• La fréquence étant imposée par le réseau,
• Si le glissement devient trop important les courants
peuvent devenir destructeurs.
• La simplicité de la configuration permet de limiter la maintenance sur la machine.
• Des capacités sont indispensables pour fournir
magnétisation de la machine
Figure I
L’introduction de convertiss
découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la
faire fonctionner l’aérogénérateur à vitesse variable. Le dispositi
figure(I-24).
Les convertisseurs utilisés
échangée entre la machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes
non négligeables (jusqu'à 3% de la puissance nominale de la machine) et entraînent des
Généralité sur système éolienne
:Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil.
assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse
de rotation proche du synchronisme
le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).
fréquence étant imposée par le réseau,
nt trop important les courants statoriques de la machine augmentent et
peuvent devenir destructeurs.
• La simplicité de la configuration permet de limiter la maintenance sur la machine.
• Des capacités sont indispensables pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la
magnétisation de la machine [4].
Figure I-23 : Eolienne directement connectée au réseau
convertisseurs de puissance entre la machine et le réseau permet de
découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la
fonctionner l’aérogénérateur à vitesse variable. Le dispositif de base est représenté sur a
Les convertisseurs utilisés sont dimensionnés pour la totalité par cette puissance
machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes
non négligeables (jusqu'à 3% de la puissance nominale de la machine) et entraînent des
Généralité sur système éolienne
Page 19
Coupe d’une Machine asynchrone à cage d'écureuil.
assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse
le nombre de pair de pôles fixe, la plage de vitesse très limitée (g < 2%).
statoriques de la machine augmentent et
• La simplicité de la configuration permet de limiter la maintenance sur la machine.
l'énergie réactive nécessaire à la
directement connectée au réseau.
le réseau permet de
découpler la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la machine, et ainsi de
f de base est représenté sur a
és pour la totalité par cette puissance
machine et le réseau. Ils représentent donc un coût important, des pertes
non négligeables (jusqu'à 3% de la puissance nominale de la machine) et entraînent des
Chapitre I
perturbations qui nuisent au rendement et à la qualité de l'énergie délivrée. De plus, la
présence des capacités est indispensable pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la
magnétisation de la machine.
redresseur est unidirectionnel.
cette structure [3 ; 15].
Plusieurs travaux ont été effectués, ayant pour objectif l‘étude du régime transitoire de la
machine asynchrone à cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont
été effectués par les auteurs sur le générateur asynchrone, en fonctionnement autonome,
visant de maintenir stable la tension et la fréquence.
Figure I-24:
I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné) :
Figure
Comme c’est le cas pour un stator classique, les machines asynchrones à rotor bobiné ont des
enroulements logés dans des encoches.
glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur
Contrairement aux machines à cage directement connectées au réseau, les machines
asynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter
Généralité sur système éolienne
perturbations qui nuisent au rendement et à la qualité de l'énergie délivrée. De plus, la
présence des capacités est indispensable pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la
magnétisation de la machine. Cette énergie ne peut pas être fournie par le réseau car le
redresseur est unidirectionnel. Ces inconvénients ont freiné le développement industriel de
Plusieurs travaux ont été effectués, ayant pour objectif l‘étude du régime transitoire de la
cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont
été effectués par les auteurs sur le générateur asynchrone, en fonctionnement autonome,
ble la tension et la fréquence.
Machine asynchrone avec liaison indirecte au réseau
I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné) :
Figure I-25 : Machine à induction à rotor bobiné.
Comme c’est le cas pour un stator classique, les machines asynchrones à rotor bobiné ont des
ments logés dans des encoches. Les courantsrotoriques circulent via des anneaux qui
glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur
Contrairement aux machines à cage directement connectées au réseau, les machines
ynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter
Généralité sur système éolienne
Page 20
perturbations qui nuisent au rendement et à la qualité de l'énergie délivrée. De plus, la
présence des capacités est indispensable pour fournir l'énergie réactive nécessaire à la
ie par le réseau car le
Ces inconvénients ont freiné le développement industriel de
Plusieurs travaux ont été effectués, ayant pour objectif l‘étude du régime transitoire de la
cage. Lors d‘un défaut sur les réseaux électrique, d‘autre travaux ont
été effectués par les auteurs sur le générateur asynchrone, en fonctionnement autonome,
ison indirecte au réseau.
I.8.2 Machine asynchrone à double alimentation (rotor bobiné) :
.
Comme c’est le cas pour un stator classique, les machines asynchrones à rotor bobiné ont des
circulent via des anneaux qui
glissent contre des balais généralement en carbone montés sur le châssis du générateur.
Contrairement aux machines à cage directement connectées au réseau, les machines
ynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique duglissement, de s’adapter
Chapitre I Généralité sur système éolienne
Page 21
aux variations de puissance fournies par la turbine, augmentant ainsi le rendement du système
[15].
I.8.2.1Types de machine asynchrone à double alimentation :
• Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée
• Machine asynchrone à double alimentation – structure de KRAMER
• Machine asynchrone à double alimentation – structure de SCHERBIUS avec cyclo
convertisseur
• Machine asynchrone à double alimentation – structure de scherbius avec
convertisseur MLI
I.8.3.Générateur synchrone :
La machine synchrone peut être à inducteur bobiné ou à excitation par aimants permanents.
Les deux structures associées à la production éolienne exploitent des interfaces d‘électronique
de puissance pour le raccordement au réseau ou pour le fonctionnement autonome. Elle est
considérée comme une solution concurrente à la GADA.
I.9 Conclusion :
Une brève description du gisement éolien a été présentée dans ce chapitre. Quelques notions
principales sur les différents types d‘éoliennes dans le contexte de la génération électrique
mais cette étude se limitera uniquement au cas des éoliennes à axe horizontal. Nous avons
décrit les différents éléments d‘une éolienne et les principalestechniques adoptées pour la
régulation de la puissance aérodynamique recueillie par la turbine (le calage variable ou le
décrochage aérodynamique),les machines électriques et leurs convertisseurs associés,
adaptables à un système éolien:(machines asynchrones, et machine synchrones).
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 22
II.1 Introduction :
L’accroissement énorme de la demande de l’énergie électrique et les contraintes
économiques de construire de nouveaux ouvrages conduisent à l’exploitation des
réseaux électriques prés de leurs limites de stabilité et de sécurité. En effet, l’instabilité
des réseaux électriques présente un problème majeur dans le bon fonctionnement de ces
derniers. Les perturbations inévitables telles que les courts circuits, les indisponibilités
momentanées des lignes de transmission, des générateurs, les transformateurs ainsi que
les pertes dans les lignes peuvent affecter le réseau électrique à tout instant et l’amener
en dehors de sa zone de stabilité. La stabilité d’un réseau électrique est donc la propriété
qui lui permet de rester dans un état d’équilibre, pour des conditions de fonctionnement
normales, et de retrouver un état d’équilibre acceptable, suite à une perturbation
[25].Dans ce chapitre, nous allons également étudier les moyens classiques et modernes
via les systèmes FACTS.
Parmi les composants de FACTS, le STATCOM du fait de ses avantages sera étudié
plus en détail dans ce mémoire.
II.2 Stabilité des systèmes électrique :
La définition, la plus récente de la stabilité d’un groupe de travail IEEE est :La stabilité
d’un système de puissance est la capacité d’un système d'énergie électrique, pour une
condition de fonctionnement initiale donnée, de retrouver le même état ou un
autre état d’équilibre proche après avoir subi une perturbation physique, en gardant la
plupart des variables de système dans leurs limites, de sorte que le système entier reste
pratiquement intact [23 ;27].
On dit qu'un système d’énergie électrique est stable si à la suite d’une perturbation, il
peut passer d’un état ou régime stationnaire à un autre régime stationnaire en passant
par le régime transitoire sans la perte du synchronisme. Suivant la nature et l’amplitude
de la perturbation, on distingue trois types de stabilité (figure II-1) :
- la stabilité de l’angle de rotor ;
- la stabilité de tension ;
- la stabilité de fréquence.
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 23
Figure II-1 : Classification de la stabilité des réseaux de puissances [27].
II.2.1 Stabilité de tension :
La stabilité de tension est la capacité d‘un réseau électrique de maintenir la tension de
fonctionnement normal dans les limites admissibles à tous les jeux de barres, après
avoir été soumis à une perturbation, pour une condition de fonctionnement initiale
donnée. Elle dépend donc de la capacité de maintenir/restaurer l‘équilibre entre la
demande de la charge et la fourniture de la puissance à la charge [23].
L'instabilité se produit sous la forme d'une baisse ou d'une augmentation de tension
progressive dans certains nœuds.
II.2.2 Stabilité de fréquence :
La stabilité de la fréquence d‘un système de puissance se définit par la capacité du
système de maintenir sa fréquence proche de la valeur nominale suite à une perturbation
sévère menant par conséquent à un important déséquilibre, entre les puissances produite
Stabilité du système de puissance
Stabilité angulaire
Stabilité de puissance
Stabilité de tension
Stabilité aux petites
perturbations
Stabilité aux grandes
perturbation
Stabilité dynamiqu
e
Stabilité transitoire
Court terme
Court terme
Long terme
Stabilité aux petites
perturbation
Stabilité aux grandes
perturbations
Court terme
Long terme
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 24
et consommée [3]. Le maintien de la fréquence à une valeur nominale dans un système
de puissance est lié à l‘équilibre global entre les puissances actives produites et
consommées (y compris les pertes).
II.2.3 Stabilité angulaire :
La stabilité de l’angle de rotor concerne la capacité des machines synchrones d’un
système de puissance interconnecté de rester en synchronismesuite à une perturbation.
Elle dépend de lacapacité de maintenir/restaurer l’équilibre entre les couples
électromagnétique et mécanique agissant sur le rotor de chaque machine synchrone dans
le système. L’instabilité qui peut résulterse produit sous forme d’augmentation des
oscillations angulaires de certains générateurs pouvant conduire à une perte de
synchronisme avec d’autres générateurs. Suivant l’amplitude de la perturbation, nous
pouvons caractériser la stabilité de l’angle de rotor en deux sous-catégories :
II.2.3.1 Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique) :
La stabilité d'angle rotorique de petite perturbation (ou en petits signaux) est la
capacité du système électrique à maintenir le synchronisme sous de petites
perturbations. Les perturbations sont considérées comme suffisamment petites pour que
la linéarisation des équations du système soit permise aux fins de l'analyse [3].
II.2.3.2 Stabilité angulaire aux grandes perturbations (stabilité transitoire) :
La stabilité transitoire d’un réseau électrique est son aptitude à retrouver une position
d’équilibre stable après une perturbation brusque et de forte amplitude. Cette
perturbation peut écarter notablement le réseau de sa position initiale. Le phénomène de
stabilité transitoire concerne les grandes perturbations. Nous pouvons citer :
• Les courts-circuits affectant un élément du réseau, notamment aux
bornes des machines.
• La perte d’ouvrages.
• La perte de groupes de production, etc.
La stabilité transitoire dépend :
• du type de perturbation.
• de la durée de perturbation.
• du lieu de perturbation.
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
• de la performance des systèmes
• du point de fonctionnement avant défaut [4 ; 8
Les conséquences de ces défauts peuvent être très graves, pouvant même
conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste
suite à la perturbation (plus précisément dans la première seconde qui suit
l’élimination du défaut), elle est appelée instabilité
Swing Instability), (cas 1,
résulter de la superposition des effets de plusieurs modes d’oscillation lents excités par
la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au
la première oscillation (instabilité de mult
de temps associée s’étend de
Figure II
Cas 1 : instabilité de première oscillation.
Cas 2 : instabilité de multi
II.3 Moyens d’amélioration de la
La stabilité peut être améliorée en utilisant des
années, un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de
tels contrôleurs.
II.3.1 Moyens classique
En général, les moyens de compensation et de réglage à mettre en œuvre doivent faire
face aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
de la performance des systèmes de protection (relais, rè-enclenchement).
e fonctionnement avant défaut [4 ; 8].
Les conséquences de ces défauts peuvent être très graves, pouvant même
conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste
suite à la perturbation (plus précisément dans la première seconde qui suit
l’élimination du défaut), elle est appelée instabilité de première oscillation (
(cas 1, figure (II-2)), et elle s’étend sur 3 à 5 secondes. Elle peut
résulter de la superposition des effets de plusieurs modes d’oscillation lents excités par
la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au
la première oscillation (instabilité de multi oscillations), (cas 2, figure (II
de temps associée s’étend de 10 à 20 secondes [3; 25 ;23 ; 27].
Figure II -2: Variation d’angle de rotor.
Cas 1 : instabilité de première oscillation.
Cas 2 : instabilité de multi-oscillations.
mélioration de la stabilité :
La stabilité peut être améliorée en utilisant des systèmes de contrôle adaptés. Au fil des
un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de
:
En général, les moyens de compensation et de réglage à mettre en œuvre doivent faire
aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 25
enclenchement).
Les conséquences de ces défauts peuvent être très graves, pouvant même
conduire à l’effondrement total du réseau. Si l’instabilité se manifeste directement
suite à la perturbation (plus précisément dans la première seconde qui suit
première oscillation (First
5 secondes. Elle peut
résulter de la superposition des effets de plusieurs modes d’oscillation lents excités par
la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l’angle de rotor au-delà de
II -2)). La gamme
es de contrôle adaptés. Au fil des
un effort de recherche important était effectué pour une meilleure conception de
En général, les moyens de compensation et de réglage à mettre en œuvre doivent faire
aux fluctuations périodiques liées à l'évolution journalière des transits de puissance
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
mais aussi aux variations brusques liées aux incidents sur le résea
compensation de l'énergie réactive et de réglage de la tension sont:
- des condensateurs et inductances fixes ;
- des compensateurs synchrones ;
- des transformateurs à prises variables (en charge ou à vide) ;
- les groupes générateurs.
L'ajustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont
assurés par les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs
des postes de transformation
compensation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarifi
pénalise un mauvaiscos charge des transformateurs au niveau des postes
a. Condensateurs et inductances fixes
Les batteries des condensateurs installées en dérivation peuvent atteindre
quelquesMVArfractionnables
MVArElles sont utilisées pour améliorer le facteur de
inductives. Parmi leurs inconvénients :
- la puissance réactive produite diminue lorsque la tension
Q =² alors qu'elledevrait augmenter ;
- surtensions et surintensités à l'enclenchement.
Des batteries de condensateurs peuvent être insérées en série avec les conducteurs d'une
ligne afin de diminuer sa réactance. On diminue aussi la chute de tension entre la source
et la charge comme indiquée sur la
diminue l'angle de transport
augmente la limite de puissance transmissible et
Figure II
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
mais aussi aux variations brusques liées aux incidents sur le réseau. Les dispositifs de
compensation de l'énergie réactive et de réglage de la tension sont:
des condensateurs et inductances fixes ;
des compensateurs synchrones ;
des transformateurs à prises variables (en charge ou à vide) ;
les groupes générateurs.
ustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont
les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs
des postes de transformation vers le réseau de répartition. En distribution, la
ation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarifi
, l'ajustement de la tension se réalisant par les prises en
charge des transformateurs au niveau des postes[28].
Condensateurs et inductances fixes :
Les batteries des condensateurs installées en dérivation peuvent atteindre
fractionnables par gradins de 2 à 4 MVAr, peuvent atteint
es pour améliorer le facteur de puissance au niveau de charges
inconvénients :
la puissance réactive produite diminue lorsque la tension diminue
qu'elledevrait augmenter ;
surtensions et surintensités à l'enclenchement.
Des batteries de condensateurs peuvent être insérées en série avec les conducteurs d'une
ligne afin de diminuer sa réactance. On diminue aussi la chute de tension entre la source
indiquée sur la Figure (II-3). On voit que ce type de comp
diminue l'angle de transport et agit donc aussi sur le transit de puiss
de puissance transmissible et la stabilité du réseau [29]
Figure II -3 : Principe de la compensation série.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 26
u. Les dispositifs de
ustement rapide et fin de l'énergie réactive en HT et le réglagede tension sont
les groupes générateurs (boucles de réglage de tension) et les condensateurs
En distribution, la
ation du réactif se fait au niveau des consommateurs par la tarification qui
la tension se réalisant par les prises en
Les batteries des condensateurs installées en dérivation peuvent atteindre
, peuvent atteint 10
puissance au niveau de charges
diminue
Des batteries de condensateurs peuvent être insérées en série avec les conducteurs d'une
ligne afin de diminuer sa réactance. On diminue aussi la chute de tension entre la source
On voit que ce type de compensation
puissance active et
[29].
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 27
Les inductances sont utilisées pour absorber la puissance réactive produite par des haute
tension à faible charge ou des réseaux de câbles. Elles sont généralement raccordées au
tertiaire de transformateurs et leur puissance peut aller de 50 MVAr (via un
transformateur à trois enroulements) à 40 MVAren raccordement direct sur des lignes
de très haute tension.
b. Groupes de production et compensateurs synchrones :
Parmi les groupes de production de source de tension ou de consommer de
l’énergie réactive notamment une machine synchrone surexcitée fournit de
l'énergie réactive comme un condensateur. En sous-excitation, elle absorbe du réactif
comme une inductance. Vu l'éloignement électrique entre les centres de production et de
consommation, les groupes ne compensent pas les charges mais peuvent faire face aux
besoins en réactif du réseau. La fourniture de puissance réactive en surexcitation est
limitée par le courant rotorique maximum et en absorption par la stabilité de la machine
synchrone. Cette limite peut varier avec des régulateurs de tension [8].
c. Transformateurs avec prises réglables en charge :
Un transformateur à régleur en charge modifie le rapport de transformation en
augmentant ou diminuant le nombre de spires de l’enroulement haute tension. Il
faut prendre garde de ne pas interrompre le courant ni mettre des spires en court-circuit
lors de la commutation. Cela est réalisé par l’insertion temporaire d’une inductance ou
d’une résistance. La plage de réglage est typiquement de ±15% avec une vingtainede
prises (échelon entre 1 et 2 %). Par rapport au réglage nominal, unchangement de prises
correspond à une injection d’une tension additionnelle au point d’insertion du
transformateur, ce qui implique une modification de la répartition de la puissance
réactive dans la zone concernée [8].
II.3.2 Moyens modernes (FACTS) :
Devant les problèmes de transit de puissance, la compagnie américaine EPRI (Electric
Power Research Institute) a lancé, en 1988, un projet d’étude des systèmes FACTS afin
de mieux maîtriser le transit de puissance dans les lignes électriques [3].
Les système FACTS ( Flexible AC Transissions Systèmes) est l’abréviation définie
comme suite « une structure d’électronique de puissance ou tout autre système statique
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 28
qui fournit des degrés de contrôle sur un ou plusieurs paramètres du réseau alternatif
pour augmenter la contrôlabilité et améliorer la capacité de transfert de puissance » [8].
La technologie FACTS n'est pas limitée en un seul dispositif mais elle regroupe une
collection de dispositifs à base de l'électronique de puissance implantés dans les réseaux
électriques afin de mieux contrôler le flux de puissance et augmenter la capacité de
transit de leurs lignes. Par action de contrôle rapide de ces systèmes sur l'ensemble des
paramètres du réseau: tension, impédance, déphasage …etc. Ils permettent d'améliorer
les marges de stabilité et assurer une meilleure flexibilité du transfert d'énergie.
a. Différentes Catégories des FACTS :
Les dispositifs de la technologie la plus avancée des FACTS avec des convertisseurs de
sources de tension à base des interrupteurs statiques sophistiqués IGBT (en
anglais, InsulatedGateBipolar Transistors) ou bien les IGCT (en anglais,
InsulatedGateCommutated Thyristors) ; tels que le STATCOM, le SSSC et l'UPFC.
Le tableau (II.1) représente les grandes catégories des dispositifs de contrôle des
réseaux électriques. Les dispositifs FACTS.
TableauII.1 : Principaux dispositifs FACTS :
Dispositif FACTS (Rapide, Statique)
A base de thyristor A base de convertisseur de
tension
Dispositif shunt Compensateur de puissance
réactive statique (SVC)
Compensateur statique
synchrone (STATCOM)
Dispositif série Compensateur série contrôlé par
thyristor (TCSC)
Compensateur série statique
synchrone SSSC
Dispositif série- shunt Contrôleur dynamique de flux de
puissance(DFC)
Contrôleur universel de flux de
puissance (UPFC)
Dispositif série- shunt HVDC back to back (HVDC) HVDC VSC back to back
(HVDC VSC)
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 29
Les systèmes FACTS sont devisé en trois grandes catégories principales :
- Compensateurs séries.
- Compensateurs shunt.
- Compensateurs hybrides série-shunt.
b. Le rôle des FACTS :
TableauII.2 :résume d'une manière simple l'impact de l'utilisation de chaque
FACTS, à la résolution des différents qui entravent le bon fonctionnement du
réseau électrique.
TableauII.2 :La correction via les FACTS.
Le problème fréquenté Correction de
l’action
Type de
FACTS
utilisé
les
limite
s de
tens
ions
Faible tension à
chargeimportante.
Fournir de la
puissance réactive.
STATCOM,
SVC
Haute tension à
faible charge.
Absorbe de la
puissance réactive.
STATCOM,
SVC, TCR
Haute tension
suitun court-
circuit.
Absorbe la puissance
réactive ; surcharge STATCOM,
SVC, TCR
Faible tension suit
un court-circuit
Fournir la puissance
réactive ; surcharge
STATCOM,
SVC
Les
limite
s
ther
miq
ues
surcharge Réduction de
surcharge
TCSC,
SSSC,
UPFC, PS
l’éco
ulem
ent
de p
uiss
ance
Inversement de
sens de
l’écoulement
depuissance
Fixation de l’angle
de phase
IPS, SSSC,
UPFC, PS
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
c- Structure des principaux dispositifs FACTS
-TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor)
Un circuit TCR est composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors
montés en antiparallèle, comme le montre la figure
est continuellement changée par l‘amorçage des thyristors.
Figure
• TSC (Thyristor SwitchedCapacitor)
Le circuit TSC est composé d‘une
thyristors montés en antiparallèle,
thyristors fonctionnent en pleine conduction.
• SVC (Static Var Compensator)
Le SVC est une association des dispositifs TCR, TSC, batterie de c
des filtres d‘harmoniques. Ces dispositifs constituent le
connu sous le nom de SVC
exemple a été installé en 1975
capacitive (+V) à inductive
réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut
La caractéristique statique es
sont distinctes :
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Structure des principaux dispositifs FACTS :
TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor)
composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors
, comme le montre la figure (II-4-a), la valeur de l‘impédance
est continuellement changée par l‘amorçage des thyristors.
Figure II-4: Schéma de TCR et TSC.
TSC (Thyristor SwitchedCapacitor)
TSC est composé d‘une réactance capacitive placée en série avec deux
thyristors montés en antiparallèle, comme le montre la figure (II-4-b),pour un TSC les
thyristors fonctionnent en pleine conduction.
SVC (Static Var Compensator)
Le SVC est une association des dispositifs TCR, TSC, batterie de condensateurs fixes
des filtres d‘harmoniques. Ces dispositifs constituent le compensateur
connu sous le nom de SVC (compensateur statique d‘énergie réactive) dont le premier
installé en 1975. Un SVC est une impédance continuellement ajusta
capacitive (+V) à inductive (-V), qui peut rapidement répondre à des modifications du
réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut
est donnée sur la figure (II-5), trois zones de fonctionnement
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 30
TCR ( ThyristorControlledReactor) ou TSR ( Thyristor SwitchedReactor) :
composé d‘une impédance placée en série avec deux thyristors
la valeur de l‘impédance
placée en série avec deux
pour un TSC les
ondensateurs fixes et
compensateur hybride, plus
(compensateur statique d‘énergie réactive) dont le premier
llement ajustable
V), qui peut rapidement répondre à des modifications du
réseau pour contrebalancer les variations de charge ou les conséquences d‘un défaut.
trois zones de fonctionnement
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
- Une zone où seules les capacités sont connectées au réseau.
- Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de
TSC.
- Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateu
déconnectés.
Les principales applications du compensateur statique de
- Soutien de la tension en régime permanent ;
- Compensation rapide de la puissance réactive ;
- Réduction des risques de résonance hypo synchrone;
- Amortissement des oscillations de puissance
Figure
Figure
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Une zone où seules les capacités sont connectées au réseau.
Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de
Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateu
Les principales applications du compensateur statique de puissance réactive sont :
Soutien de la tension en régime permanent ;
Compensation rapide de la puissance réactive ;
Réduction des risques de résonance hypo synchrone;
Amortissement des oscillations de puissance[3].
Figure II-5 : Schéma de base d‘un SVC.
Figure II-6 : Caractéristique d‘un SVC.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 31
Une zone de réglage ou l‘énergie réactive et une combinaison de TCR et de
Une zone où le TCR donne son énergie maximale, les condensateurs sont
puissance réactive sont :
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
- STATCOM : (StaticsynchronousCompensator)
d’IGBT contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle
avec une source de tension
consommer à part égale de la puissance réactive de
fonctions que le SVC mais avec beauc
harmoniques Figure (II-7).
connectés en parallèle à son voisinage pour
fonctionnement. Le premier
une tension de bus continu c
permettent un contrôle souple et rapide qui rend son
compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM
continus, c’est-à-dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet
d’avoir un échange de puissance
différentes (synchronisation, tension, fréquence)
Figure II-7 : (a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent
Pour un STATCOM idéal, n'ayant pas des
puissanceréactive suivante décrit le
électrique.
= |
Si ||>| | , alors
puissance réactive.
Si| |˂ | |, alors
puissance réactive.
− SSSC (StaticSynchronousSeries
dispositifs FACTS ; similaire à un STATCOM mais avec une source de tension en
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
(StaticsynchronousCompensator): est un ensemble, onduleur
contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle
avec une source de tension continu. Un onduleur est capable de générer et de
le de la puissance réactive de telle manière à remplir les mêmes
fonctions que le SVC mais avec beaucoup plus de souplesse et moins
Cet équipement peut être associé avec des éléments réactifs
connectés en parallèle à son voisinage pour modifier les plages de
premier STATCOM a été conçu en 1990. Ce système
bus continu constante. Les IGBTs à fréquence de commutation élevée
permettent un contrôle souple et rapide qui rend son utilisation possible pour une
compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM
dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet
’avoir un échange de puissance active entre deux réseaux de caract
différentes (synchronisation, tension, fréquence) [8].
(a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent
Pour un STATCOM idéal, n'ayant pas des pertes actives, l'équation de la
réactive suivante décrit le transfert de cette dernière avec le réseau
|²
- ||||
cos - ) =
|| |||
, alors devient positive et le STATCOM absorbe de la
, alors devient négative et le STATCOM fournie de la
(StaticSynchronousSeriesCompensator) : c’est un des
dispositifs FACTS ; similaire à un STATCOM mais avec une source de tension en
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 32
onduleur à base
contrôlé par modulation de largeur d’impulsions connecté en parallèle
continu. Un onduleur est capable de générer et de
telle manière à remplir les mêmes
oup plus de souplesse et moins de perturbations
cié avec des éléments réactifs
modifier les plages de
ATCOM a été conçu en 1990. Ce système fonctionne à
commutation élevée
n possible pour une
compensation de flicker par exemple. La connexion de deux STATCOM par leur bus
dire back to back (B2B), et chaque côté alternatif à des réseaux permet
active entre deux réseaux de caractéristiques
(a) Structure d'un STATCOM (b) Schéma équivalent.
l'équation de la
transfert de cette dernière avec le réseau
||
devient positive et le STATCOM absorbe de la
devient négative et le STATCOM fournie de la
c’est un des plusimportants
dispositifs FACTS ; similaire à un STATCOM mais avec une source de tension en
(II- 1)
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
série avec l’impédance de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(
12). Ce dispositif appelé aussi DVR (Dynamic Voltage
généralement dans les réseaux dedi
d'énergie tels que les creux de
constants.
Figure II-8 : (a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC
Dans le but d'un fonctionnement stable, c
SPS (Static Phase Shifter) ou d'une impédance série variable de compensation : il
applique une tension en quadrature avec une tension des extrémités de la ligne pour
contrôler l’écoulement de puissance active.
En effet, ce système n’absorbe
son propre énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a
contrôler à la fois la puissance active et réactive. Sa caractéristi
sur la Figure (II-9)suivante
Figure
Dans le modèle adopté pour ce dispositif, la valeur de la source de tension connectée en
série et donnée par la formule
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(
). Ce dispositif appelé aussi DVR (Dynamic VoltageRestorer) est
généralement dans les réseaux dedistribution afin de résoudre les problèmes de qualité
d'énergie tels que les creux de tensions et maintenir ces dernières à des niveaux
(a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC
Dans le but d'un fonctionnement stable, ce dispositif performe les mêmes
SPS (Static Phase Shifter) ou d'une impédance série variable de compensation : il
applique une tension en quadrature avec une tension des extrémités de la ligne pour
contrôler l’écoulement de puissance active.
En effet, ce système n’absorbe pas de puissance réactive à partir du réseau mais possède
énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a
la puissance active et réactive. Sa caractéristique statique est donnée
:
Figure II-9 : Caractéristique statique du SSSC.
Dans le modèle adopté pour ce dispositif, la valeur de la source de tension connectée en
série et donnée par la formule (II- 2) :
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 33
de la ligne. Son schéma de principe est donné par la Figure(II-
Restorer) est utilisé
afin de résoudre les problèmes de qualité
tensions et maintenir ces dernières à des niveaux
(a) Structure d’un SSSC (b) Schéma équivalent d’un SSSC.
e dispositif performe les mêmes fonctions d'un
SPS (Static Phase Shifter) ou d'une impédance série variable de compensation : il
applique une tension en quadrature avec une tension des extrémités de la ligne pour
pas de puissance réactive à partir du réseau mais possède
énergie réactive stockée dans les batteries de condensateur. Il a l'aptitude de
que statique est donnée
Dans le modèle adopté pour ce dispositif, la valeur de la source de tension connectée en
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
L’amplitude et la phase de ce
Newton pour satisfaire les puissances active et réactive spécifiques qui transitent ce
dispositif.
-TCSC (Thyristor ControlledSeriesCapacitor) :
série avec un gradateur et l’ensemble en parallè
TCSC placé en série dans une ligne de transport permet de contrôler le flux de
puissance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie
selon l’angle de retard à l’amorçage des thyristors
En supposant que le TCSC est installé en série dans une ligne entre
barres de la Figure(II-4 (b)
par l’équation (II- 4) suivante :
Figure II-10 : (a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable
− UPFC (Unified Power Flow
convertisseurs de tension
côtés continus et possédant
schéma de principe et son schéma équivalent.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
= || (cos + j sin )
plitude et la phase de ce modèle et sont ajustées en utilisant l’algorithme
Newton pour satisfaire les puissances active et réactive spécifiques qui transitent ce
TCSC (Thyristor ControlledSeriesCapacitor) : il est constitué d’une inductance en
série avec un gradateur et l’ensemble en parallèle avec une capacité Figure(
TCSC placé en série dans une ligne de transport permet de contrôler le flux de
sance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie
selon l’angle de retard à l’amorçage des thyristors α donné par la formule (
X (α) = !"
# $ % &' ()* +
,!-"²
le TCSC est installé en série dans une ligne entre les deux jeux de
)), la puissance qui transite ces deux jeux de barre
) suivante :
. = |||/|
0 1232sin - )
(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable
UPFC (Unified Power Flow Controller) : L’UPFC est composé de deux
tension (onduleur) qui partagent le même condensateur dans
continus et possédant un système de commande unifié, la Figure (II
schéma de principe et son schéma équivalent.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 34
sont ajustées en utilisant l’algorithme de
Newton pour satisfaire les puissances active et réactive spécifiques qui transitent ce
il est constitué d’une inductance en
le avec une capacité Figure(II- 10). Le
TCSC placé en série dans une ligne de transport permet de contrôler le flux de
sance et d’élever la capacité de transfert des lignes en agissant sur la réactancevarie
é par la formule (II- 3).
les deux jeux de
, la puissance qui transite ces deux jeux de barres est régie
(a)Structure d’un TCSC (b) Représentation par une susceptance variable.
mposé de deux
condensateur dans leurs
II - 11)donne son
(II- 2)
(II- 3)
(II-4)
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
- Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance
active, la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité
sont acquises par l'échange d'énergie entre les deux convertisseurs: la puissance active
demandée par le convertisseur série est tirer du réseau par le convertisseur shunt à
travers la partie continue DC pour l’acheminée au jeu de barre « R ». la tension de sortie
du convertisseur série 4
soutenir la tension de jeu de barre
4permet la régulation de la tension et la phase
flux de puissance.
Figure II-11 : (a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC
− SPS (Static PhaseShifter)
basede thyristors, ce dispositif a été conçu pour remplacer
déphaseurs commandés mécaniquement. Il
branché en série avec la ligne et l'autre en
de principe de ce dispositif
Ce dispositif permet de varier l’angle
ligne.Son principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tensi
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance
la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité
sont acquises par l'échange d'énergie entre les deux convertisseurs: la puissance active
demandée par le convertisseur série est tirer du réseau par le convertisseur shunt à
travers la partie continue DC pour l’acheminée au jeu de barre « R ». la tension de sortie
est ajoutée à la tension du jeu de barre de dé
de jeu de barre « R ».De ce fait l’amplitude de la te
permet la régulation de la tension et la phase 4 déterminée le mode de contrôle du
(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC
Shifter) : le déphaseur statique est un transformateur déphaseur
basede thyristors, ce dispositif a été conçu pour remplacer les anciens transformateurs
mécaniquement. Il est constitué de deux transformateurs, l'un
branché en série avec la ligne et l'autre en parallèle. La figure (II- 12)donne un schéma
de principe de ce dispositif et son schéma équivalent.
varier l’angle de phase de la tension aux extrémités de
on principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tensi
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 35
Le rôle de ce compensateur est de pouvoir contrôler simultanément la puissance
la puissance réactive et les tensions aux extrémités de la ligne. Ces possibilité
sont acquises par l'échange d'énergie entre les deux convertisseurs: la puissance active
demandée par le convertisseur série est tirer du réseau par le convertisseur shunt à
travers la partie continue DC pour l’acheminée au jeu de barre « R ». la tension de sortie
est ajoutée à la tension du jeu de barre de départ « S » pour
e ce fait l’amplitude de la tension ajoutée
déterminée le mode de contrôle du
(a)Schéma représentatif d’un UPFC, (b) Schéma équivalent de l’UPFC.
le déphaseur statique est un transformateur déphaseur à
les anciens transformateurs
est constitué de deux transformateurs, l'un
donne un schéma
extrémités de la
on principe est basé sur l’application d’une tension en quadrature avec la tension
Chapitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
de l’extrémité de la ligne à
rapidement du flux de la puissance
phase de la tension appliquée "
pour satisfaire un flux de puissance active spécifié
Figure II- 12 :(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS
La puissance active qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par
la formule suivante :
Un ajustement approprié de l’angle de phase
puissance active a travers le SPS.
II.4 Conclusion :
L‘expansion continuelle des réseaux de transport d‘énergie électrique montre les limites
des capacités de transit des systèmes existants. Le
d‘exploiter le système de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,
alors que les consommateurs sont de plus
et à la continuité de service. Les équipe
compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème
Dans ce chapitre nous sommes intéressés
contrôle et de commande des réseaux él
principalement à base d’onduleurs conçus avec
technologies bien développée présents un temps de réponse très rapide permettant
d’améliorer la stabilité de systèmes électriques.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
la ligne à déphaser. Cet équipement permet aussi de contrôler
rapidement du flux de la puissance active. La variable de contrôle
de la tension appliquée "" qui est ajusté en utilisant l’algorithme de newton
e puissance active spécifié.
(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS
qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par
. = |||/|
5sin 6 6 7
approprié de l’angle de phase permet un contrôle précis du flux de
puissance active a travers le SPS.
L‘expansion continuelle des réseaux de transport d‘énergie électrique montre les limites
transit des systèmes existants. Les gestionnaires de réseau sont en train
de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,
alors que les consommateurs sont de plus en plus exigeants quant la qualité
et à la continuité de service. Les équipements à base d‘électronique de puissance, y
compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème
ous sommes intéressés globalement sur les nouveaux dispositifs de
commande des réseaux électriques appelés FACTS d
base d’onduleurs conçus avec les interrupteurs IGBT/GTO
technologies bien développée présents un temps de réponse très rapide permettant
d’améliorer la stabilité de systèmes électriques.
apitre II : Généralité sur Stabilité électrique et système FACTS
Page 36
équipement permet aussi de contrôler
est l’angle de
utilisant l’algorithme de newton
(a)Structure du SPS (b) Schéma équivalent du SPS.
qui transite dans cette ligne à travers le SPS est donnée par
permet un contrôle précis du flux de
L‘expansion continuelle des réseaux de transport d‘énergie électrique montre les limites
gestionnaires de réseau sont en train
de transport aux prés de ses limites thermiques et dynamiques,
la qualité de l‘énergie
ments à base d‘électronique de puissance, y
compris leurs commandes appropriées, offrent des solutions efficaces à ce problème [3].
les nouveaux dispositifs de
ectriques appelés FACTS d’une structure
les interrupteurs IGBT/GTO de
technologies bien développée présents un temps de réponse très rapide permettant
(II-5)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 37
III.1. Introduction :
La structure des différents types d’éoliennes n’est pas simplifiée, car cette dernière correspond
à un ensemble d’une turbine éolienne et un générateur. La turbine éolienne est constituée
également d’une turbine et d’un multiplicateur relié entre eux par un arbre. L’étude de la
conception et de l’analyse des dynamiques du système éolien est vraiment délicate, car les
réponses dynamiques du système simulé dépendent fortement des modèles mathématiques
appliqués au système réel.
Dans ce chapitre, on s’intéresse à la modélisation mécanique de la turbine simple en se basant
sur les hypothèses simplificatrices suffisantes pour l’étude de l’aérogénérateur, et pour la
modélisation de la machine électrique, en se basant sur la théorie unifiée des machines
électrique. Cette théorie est basée sur la transformation da Park. Ce chapitre présent la
modélisation de la machine asynchrone à cage d’écureuil dans le repère de naturel (a-b-c) et
dans le repère de Park (d-q). La modélisation des systèmes FACTS (STATCOM) est fait en
utilisant les équations correspondantes [8 ; 3].
III.2. Modéle du système éolien :
III.2.1. Modéles des éléments du réseau électrique :
La modélisation des composants du réseau en fonctionnement triphasé équilibre repose sur les
hypothèses suivantes :
Symétrie des éléments, permettant une représentation d’ordre direct monophasé.
Influence magnétique entre composants négligeable.
Lignes électriques représentées par un schéma de quadripôles équivalents à constantes
concentrées.
Impédance de magnétisation des transformateurs négligée.
L’utilisation des grandeurs réduites (p.u)permet encore une simplification dans
lareprésentation des transformateurs, en les réduisant a une simple impédance série.
Rappelons que l’utilisation des grandeurs réduites repose sur une puissance triphasée de
base(Sbase)et une tension entre phases de base (Ubase), permettant de définir une impédance de
base (Zbase=U2base/Sbase) à partir de laquelle les impédances réduites des composants seront
calculées.
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 38
Rappelons aussi que l’un des avantages de l’utilisation des impédances réduites est d’avoir
des ordres degrandeur quasi invariant quelle que soit la puissance nominale des machines ou
des transformateurs, lerapport entre les tensions de base cote primaire et cote secondaire est
base sur le rapport detransformation nominal.
Une ligne électrique entre les nœudset jsera donc représentée par le schéma en comme
indiquesur la Figure(III.1) comprenant une impédance série ou longitudinale= + (avecet respectivement résistance totale et inductance totale de la ligne) et une
admittance en parallèle = (+)/2avec (etétant respectivement la
conductance totale et lasusceptance totale d’ordre direct de la ligne).
Figure III.1 : Schéma équivalent d’une ligne électrique [8].
Le transformateur est représenté par un quadripôle en .Les grandeurs associées sont le
rapport de transformation et l’impédance de fuite. Les rapportssont inclus dans les
éléments de la matrice admittance. Les susceptance de la matrice admittancesont vues
comme des fonctions de rapports de transformation comme montre dans laFigure (III.2).
Figure III.2 : Schéma équivalent d’un transformateur en [8].
La charge est représentée par une impédance Z :
21
V
jQPzy
−== −
Figure III.3 : Schéma équivalent d’une charge.
2 2
(1 − ) ! "²#$ ( − 1) ! "#$
!
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 39
III.2.2. Modéle du générateur éolien :
III.2.2.1. Le vent :
Le vent est la raison d’être des aérogénérateurs. Son énergie cinétique constitue la source
primaire d'énergie. Le vent est en fait un champ de vitesses de déplacement de masses d'air
caractérisé par sa vitesse et sa direction qui sont affectées par plusieurs facteurs, en
particulier, le phénomène de cisaillement et l'effet d'obstacle de la tour.
Les propriétés dynamiques du vent sont capitales pour l'étude de l'ensemble du système de
conversion d'énergie car la puissance éolienne, dans les conditions optimales, évolue au cube
de lavitesse du vent. La vitesse du vent sera modélisée sous forme déterministe par une
somme de plusieurs harmoniques
%& (t) = ' + ∑) − 1(* . sin(/* . 0&. 1))
Où :
%& (t):Evolution temporelle de la vitesse du vent.
III.2.2.2. La turbine éolienne :
Le dispositif, qui est étudié ici, est constitué d’une turbine éolienne comprenant des pales de
longueur Rentrainant une génératrice à travers un multiplicateur de vitesse de gain G, comme
montre la Figure (III.3).
Figure III.4 : Schéma de la turbine éolienne [14].
Turbine Multiplicateur Générateu
r
R v
234
Ω34 Ω!567*3
89:;<
(III.1)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 40
La puissance du vent ou la puissance éolienne est définie de la manière suivante:
=&=>.?.&@
A
Où :
Bestla densité de l’air(B=1.22CD EF⁄ à la pression atmosphérique à 15°(∁).
Iest la surface circulaire balayée par la turbine, le rayon du cercle est déterminé par la
longueur de la pale.EF
Jla vitesse du vent (E K⁄ )
La puissance aérodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine s’écrit alors :
="36 =LM . =&= LM(N, P )>.?.&@A
Le coefficient de puissanceLM, est en fonction de l’angle d’orientation des pales P le ratio de
vitesse N.Ce ratio de vitesse est défini comme le rapport entre la vitesse de la turbine et la
vitesse du vent : Q = RS9:;<T
Où :
U!567*3est la vitesse de la turbine.
Connaissant la vitesse de la turbine, le couple aérodynamique est donc directement déterminé
par :
8V< = WV<S9:;< =8W.
X.Y.TZ[ . \S9:;<
III.2.2.3.Modèle du multiplicateur :
Le multiplicateur adapte une vitesse lente de la turbine à la vitesse de la génératrice. Ce
multiplicateur est modélise mathématiquement par les deux équations suivantes : 8 =8V<]
(III.2 )
(III.3)
(III.4)
(III.5)
(III.6)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 41
S9:;< =S^<_]
Où :
` : est le gain du multiplicateur.
Ua3b : est la vitesse mécanique de la génératrice(cd K ).
III.2.2.4. L’arbre mécanique :
La masse de la turbine éolienne est reportée sur l'arbre de la turbine sous la forme d'une
inertiee!567*3et comprend la masse des pales et la masse du rotor de la turbine. Le modèle
mécanique proposé considère l'inertie totale fconstituée de l'inertie de la turbine reportée sur
le rotor de la génératrice et del'inertie de la génératrice.
j = ijkl#mnop + jq
Il est à noter que l'inertie du rotor de la génératrice est très faible par rapport à l'inertie de
laturbine reportée par cet axe. L'équation fondamentale de la dynamique permet de
déterminerl'évolution de la vitesse mécanique à partir du couple mécanique total (Cmec)
appliqué au rotor : _^<_ = f rstnur! +f
Oufl’inertie total qui apparait sur le rotor de la génératrice, _a3bcouple mécanique prend
encompte, le couple électromagnétique_3aproduit par la génératrice, le couple des
frottementsvisqueux_Tv, et le couple issu du multiplicateur_q.
La3b= Lq- L3a- L&w
Le couple résistant dû aux frottements est modélisé par un coefficient de frottements
visqueuxf : L&w= f Ωyz
Où : L&wLe couple des frottements visqueux (N. m).
(III.7)
(III.8)
(III.9)
(III.10)
(III.11)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 42
III.2.2.5. Machine asynchrone à cage :
Une machine asynchrone à cage est constituée de 2 parties : le stator et le rotor. Le stator,
représente la partie statique de la machine. Il est constitué d’un circuit magnétique comportant
de multiples encoches à l’intérieur desquelles sont placées 3 bobinages formant l’enroulement
triphasé du stator. Le rotor, partie mobile, est formé d’un circuit magnétique où sont logées
des barres généralement en cuivre ou en aluminium coulées. Ces barres sont reliées entre elles
à chaque extrémité par un anneau de court-circuit.
Ainsi le stator est formé de trois enroulements fixes montés en étoile et décalés dans l’espace
d’un angle de 120° et traversés par trois courants triphasés équilibrés. Il en résulte la création
d’un champ tournant dans l’entrefer dont la vitesse de glissement est de :
v = ᴡvW
Où :
ᴡw : Pulsation des grandeurs électriques statoriques.[8]
Uw : désigne la pulsation du réseau d’alimentation triphasé statorique.
= : est le nombre de bobines de chaque bobinage et ´également le nombre de paires de pôles
du champ magnétique apparaissant au stator.
Le rotor de la machine supporte un bobinage triphasé avec un même nombre de pôles que
celui du stator couplé en étoile. Ce type de rotor est dit bobiné mais on peut envisager un rotor
plus sommaire constitué de barres conductrices court-circuitées par un anneau conducteur à
chaque extrémité. Ce second type de machines est appelé machines asynchrone à cage. Le
rotor tourne par rapport au stator à la vitesse : ^<_= 9où, étant l’angle entre le repère
statorique et le repère rotorique.Comme montre a lafigure (III.4)
(III.12)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 43
Figure III.5 : Structure générale de la machine asynchrone[8].
III.2.2.5.1. Equations électriques :
Les enroulements des trois phases statoriques et des trois phases rotoriques dans l’espace,
peuvent être représentés comme indiqué dans la figure (III.4). La loi de FARADAY permet
d‘écrire les équations générales de la machine asynchrone dans un reperce triphasé sous la
forme matricielle:
V = Ri + rr!
Où représente le flux total à travers l’enroulement.
Jw"Jw7Jwb =rr! w"w7wb + w 0 00 w 00 0 w w"w7wb
Pour les enroulements statoriques, on écrira en notation matricielle:
J6"J67J6b =rr! 6"676b +6 0 00 6 00 0 6 6"676b
vV
v_
v
Tv_
Tv
TvV
_
V T
T_TV
(III.13)
(III.14)
(III.15)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 44
Jw",Jw7, Jwb: sont les tensions simples triphasées au stator de la machine. w",w7 ,wb : sont les courants au stator de la machine. w", w7, wb : sont les flux propres circulant au stator de la machine. J6",J67, J6b: sont les tensions simples triphasées au rotor de la machine. 6",67 ,6b : sont les courants au rotor de la machine. 6",67,6b : sont les flux propres circulant au rotor de la machine. w : est la résistance des enroulements statoriques. 6 : est la résistance des enroulements rotoriques.
III.2.2.5.2.Equations des flux
L’expression du flux total à travers le bobinage statorique sera la suivante:
w" =w w" +Ew (w7 +wb ) +E 6" +EA 67 +EF 6b
L’écriture matricielle ci-dessous résume les trois équations de flux statorique:
Φw"7b =w"w7wb = w Ew EwEw w EwEw Ew w w"w7wb + E EA EFEF E EAEA EF E 6"676b
Où : Φv"7b :vecteur flux circulant au stator de la machine. w : Coefficient d’inductance propre d’un enroulement statorique. Ew : Coefficient d’inductance mutuelle entre deux bobinages statoriques. E,EA, EF : Les coefficients d’inductance mutuelle avec les trois bobinages rotoriques.
A partir de la figure (III.4) :
E = Ew6 cos EA = Ew6 cos ( − AF )EF = Ew6 cos ( − F ) Où : Ew6 : représente la valeur maximale des coefficients d’inductances mutuelle entre une phase
statorique et une phase rotorique.
On peut écrire :
(III.16)
(III.17)
(III.18)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 45
Φw = w w + w6 6Φ6 = 6 6 + w6 w Avec :
w= w Ew EwEw w EwEw Ew w 6= 6 E6 E6E6 6 E6E6 E6 6
w6 =Ew6 cos cos( − AF ) cos( − F )cos( − F ) cos cos( − AF )cos( − AF ) cos( − F ) cos
6w = (w6)
: désigne l’angle électrique entre une phase du rotor et la phase correspondante du stator et
vérifie : 9 = WΩ
Ω:étant la vitesse de la génératrice et = le nombre de paire de pôles.
Ces équations présentent deux inconvénients majeurs :
- un nombre important de variables couplées entre elles,
- la dépendance des matricesw66w, de l’angle de rotation.
Pour palier ce problème, on recherche des transformations linéaires des variables triphasées
de la machine en repère biphasé orthogonal fixe d par rapport au stator ou au rotor ou bien
au champ tournant. La transformation repose sur l'équivalence magnétique du system de
passer du repère triphasé de la machine réelle /Là un système dans le repère.
III.2.2.5.3.Transformation de PARK appliquée
La transformation de PARK est souvent définie par la matrice P normalisée.
=P V_
(III.19)
(III.20)
(III.21)
(III.22)
(III.23)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 46
Où:
P=[Z ¡ ¡( − [¢Z ) ¡( − £¢Z )− ¡¤¥() − ¡¤¥( − [¢Z ) − ¡¤¥( − £¢Z )\√[ \√[ \√[
Lorsque la valeur zéro est attribuée à l’angle, la transformation de Park porte le nom
detransformation de Concordia2et les axes d, seront désignés par§, P.
La figure III.5 montre alors la disposition des systèmes d'axe dans l'espace électrique.
Figure III.6: Repérage angulaire des systèmes d'axes dans l'espace électrique.
Avec :
¨= −\ \ On obtient finalement modèle de PARK qui constitue ainsi un modèle électrique dynamique
pour l'enroulement diphasé équivalent:
©ªª«ªª¬ v = Rvv + ®v9 − ¯V®vv = Rvv + ®v9 + ¯V®v = R + ®9 − (¯V − ¯)® = R + ®9 + (¯V − ¯)®
(III.24)
(III.25)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 47
Avec:
©ª«ª¬ ¯v = 9 v
¯ = 9 v = +
Il est plus intéressant d‘écrire les équations dans un référentiel lié soit au stator, soit au rotor,
ou au champ tournant, selon les objectifs de l’application. Dans chacun de ces nouveaux
référentiels, les équations de la machine deviennent plus simples que dans le référentiel
quelconque.
Le choix du référentiel se fait en fonction de la valeur de°" °"= 0 correspond au référentiel stationnaire. °"= °6correspond au référentiel lié au rotor. °" = °wcorrespond au référentiel lié au champ tournant.
Avec : °" : désigne la vitesse angulaire électrique du repère d, q. °w : Vitesse angulaire des axes ddans le repère statorique. °w : Vitesse angulaire des axes ddans le repère rotorique.
Dans le repère de Park, les flux et les courant sont liés par :
±Øwr³Ø6r³´= µ wM w6Mw6M 6M ¶ µ·wr³·6r³¶ Avec:
wM= w − Ew 0 00 w − Ew 00 0 w − Ew 6M= 6 − E6 0 00 6 − E6 00 0 6 − E6
w6M= F¸t¹ºA 0 00 F¸t¹ºA 00 0 F¸t¹ºA
(III.26)
(III.27)
(III.28)
(III.29)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 48
a"»: La valeur maximale des coefficients d‘inductances mutuelles stator - rotor.
III.2.2.5.4.Couple électromagnétique :
On obtient la puissance instantanée absorbée par la machine :
=a= (wrw³ − w³wr)°w+(6r6³ − 6³6r)°6
En exprimant les flux en fonction des courants à partir des équations et, on constate que:
(wrw³ − w³wr) = − (6r6³ − 6³6r)
Les deux expressions du couple électromagnétique sont données par les expressions
suivantes:
Soit en utilisant les grandeurs statoriques : 23a ==(wrw³ − w³wr)
Soit en utilisant les grandeurs du rotor :
23a ==(6r6³ − 6³6r)
III.2.2.5.5. Modèle complet de la chaîne de conversion éolienne :
La représentation du modèle de cette chaîne de conversion est illustrée sur la figure suivante :
v
Figure III.7 : Modèle de la chaîne de conversion éolienne fonctionnant à vitesse fixe.
III.2.2.5.6. Caractéristique de la turbine éolienne basée sur la machine asynchrone à
cage :
La caractéristique d’une turbine permet de déterminer la vitesse de rotation de la machine en
fonction des variables d’état du fluide de travail (pression, température, vitesse,…). Compte
tenu du caractère aléatoire du vent, une éolienne est condamnée à travailler en mode
transitoire sous l'action d‘un flux (le vent) échappant à toute commande ou prévision (variable
aléatoire) [8].
Turbine +
Multiplicateur
MAS
d-q
d-q
abc
Réseau
abc
(III.30)
(III.31)
(III.32)
(III.33)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 49
Par ailleurs, l'énergie disponible à l'entrée de la roue subit fatalement des dégradations en
cascades le long du parcours du fluide de travail. De ce fait, l‘estimation des potentialités
énergétiques éoliennes d‘une région ne peut se suffire des données exprimées par les atlas
sous forme de moyennes mensuelles ou annuelles. L'estimation des potentialités énergétiques
éoliennes d'une région nécessite donc la connaissance de la courbe de distribution des vitesses
du vent. Mais on ne pourra parler de potentialités utiles (sortie machine) que pour une
éolienne donnée.[36]
En effet, seule une partie de la puissance éolienne disponible sur un site donné, appelée
puissance utilisable est récupérée au niveau de l'axe de la machine (énergie mécanique). Pour
avoir la puissance électrique utile, il faut multiplier la puissance mécanique par le rendement
de la génératrice. [8]
Après l'exécution du programme sous environnement Matlab/Simulink, la caractéristique de
la turbine éolienne pour des différentes vitesses du vent est donnée par lafigure (III.7) :
Figure III.8 : Caractéristiques mécaniques de la turbine éolienne basée sur la MAS à cage.
On constate que si la machine à cage est capable de produire de l'énergie pour les très faibles
vitesses de vent, cette énergie est écrêtée à la puissance nominale lorsque la machine atteint
une vitesse très légèrement supérieure au synchronisme [3].
III.2.3. Modélisation du STATCOM :
III.2.3.1. Modèle mathématique simplifié :
Pour le modèle simplifié du STATCOM, on suppose que le circuit continu consiste en une
source de tension constante, et le circuit DC ne sera pas inclus dans ce modèle. Le schéma
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 pu
Max. power at base wind speed (9 m/s) and beta = 0 deg
4 m/s
5 m/s
6 m/s
7 m/s
8 m/s
9 m/s
10 m/s
Turbine speed (pu of nominal generator speed)
Turb
ine
outp
ut p
ower
(pu
of n
omin
al m
echa
nica
l pow
er) Turbine Power Characteristics (Pitch angle beta = 0 deg)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 50
équivalent de ce dispositif donc est une source de tension sinusoïdale connectée à un nœud du
réseau par l'inductance du transformateur de couplage. Le circuit contient aussi une résistance
en série pour représenter les pertes ohmiques du transformateur et les pertes dans les
interrupteurs de l'onduleur.
Le courant du STATCOM dépend de la différence entre la tension du système (tension au
nœud) et la tension ajustable du STATCOM.
Où les grandeurs sont en triphasé :
%= ½%"%7%b ¾; %w¿= ½%"w¿%7w¿%bw¿¾ et ·w¿= ½·"w¿·7w¿·bw¿¾ Pour simplifier ces équations, on passe au repère orthogonal fixe (§, P) en multipliant
l'équation (3.34) par la matrice de la transformation de CLARK suivante :
ÀÁÂ =AF 1 ÃA ÃA0 √FA −A A A
√FA
%- %w¿ =w¿·w¿+w¿ rÄÅÆr!
On passe au repère tournant (d, ), le référentiel du synchronisme, en multipliant toutes les
grandeurs par le phaseurÇÈ avec rÈr! =° , la pulsation des grandeurs en question,
Donc:
É(r,³) =É(Á,Â)ÇÃÈ et inversementÉ(r,³) = É(Á,Â)ÇÈ
En appliquant cette écriture sur l'équation (III.35) on aura :
% (r,³)ÇÈ − %w¿(r,³)ÇÈ = w¿ ·w¿(r,³)ÇÈ + w¿ rr!(·w¿(r,³)ÇÈ)
(III.34)
(III.35)
(III.36)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 51
Figure III.9 :Passage de repère (§, P) vers le repère (d, ).
Après simplification de calcul en aboutit aux équations dynamiques du STATCOM dans le
repère (d, ) suivant :
%r − %w¿r =w¿·w¿r + w¿ rÄÅÆÊr! − w¿° ·?¿³
%³ − %w¿³ =w¿·w¿³ + w¿ rÄÅÆËr! − w¿° ·?¿r
Sous forme matricielle on écrit le système d‘état du STATCOM comme suit :
rr! µ·w¿r·w¿³¶ = ½ÃÌÅÆÍÅÆ °−° ÃÌÅÆÍÅƾ µ·w¿r·w¿³¶ +
ÍÅÆ µ%r − %w¿r%³ − %w¿³ ¶ Où le vecteurµ − vÎ − vζreprésente le vecteur de commande du système.
III.2.3.2. Modèle mathématique en considérant le circuit DC :
Le modèle simplifié est dérivé sous l'hypothèse d'aucune variation de la tension continue Érbdurant les petits échanges de l'énergie active entre le réseau et la source DC. Lorsque la
capacité de la source DC est relativement petite, le modèle mathématique doit être amélioré
l'équation du circuit continu.
On suppose que :
vÎ(,) = vÎ +vÎ = T ¡ + ¡¤¥
¯ Ï
Ð
Ñ
(III.37)
(III.38)
(III.39)
(III.40)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 52
J : étant le module de la tension appliqué dépend directement de la tension continue Érb et
peut être exprimé par :
J = EÉrb
E : est l'indice de modulation il ne dépond que du type de l'onduleur.
En substituant les équations (III.40) et (III.41) dans les équations (III.37) et (III.38), on aboutit
aux équations : %r − EÉrb cos = w¿·w¿r + w¿ rÄÅÆÊr! − w¿ °·w¿³
%³ − EÉrb sin = w¿·w¿³ + w¿ rÄÅÆËr! − w¿ °·w¿r
La puissance circulante entre le condensateur et l‘onduleur de tension peut être décrite par
l'équation (III.44) et en même temps vérifié l'égalité qui suit (III.45) :
Òw¿ = FA ( %w¿r·w¿r + %w¿³·w¿³)
Érb ·rb = 32 ( %w¿r·w¿r + %w¿³·w¿³)
Le courant _ est défini comme étant la somme du courant capacitif _et le courant résistif _ dans la branche de la résistanceR_.
·rb = 2 rÔÊur! + ÔÊuÌu
De ces équations (III.40), (III.41), (III.45) et (III.46) on peut tirer l’équation dynamique du
coté continue du STATCOM suivante :
L rÔÊur! = FA E (·w¿r cos − ·w¿³ sin ) − ÔÊuÌÕ
(III.41)
(III.42)
(III.43)
(III.44)
(III.45)
(III.46)
(III.47)
Chapitre III Modéle du Système Etudie
Page 53
Les équations (III.42),(III.43)et (III.47) forme le système d'équations d'état du STATCOM en
tenant compte des variations de la tension du circuit continu qu4on écrit sous forme
matricielle suivante:
rr! ½·w¿r·w¿³Érb¾=
− ÌÍÅÆ ° − aÍÅÆ cos
−° − ÌÍÅÆaÍÅÆ sin
FA ab cos − FA ab sin ÃÌu b ½·w¿r·w¿³Érb ¾ ÍÅÆ
ÍÅÆ 00 ÍÅÆ0 0 µ%r%³ ¶
On peut observer qu’il ya deux paramètres de commande dans ce système avec trois
paramètres d'état à contrôler et uniquement deux grandeurs peuvent être commandées
indépendamment. Ce système, qui doit être linéaires autour d'un point de fonctionnement,
sera de la forme suivante :
rr! ½·w¿r·w¿³Érb ¾=
− ÌÍÅÆ ° − aÍÅÆ cos Ö−° − ÌÍÅÆ aÍÅÆ sin ÖFA ab cos Ö − FA ab sin Ö ÃÌu b
½·w¿r·w¿³Érb ¾ +
ÍÅÆ ÍÅÆ 0 aÍÅÆ ÉrbÖ sin Ö0 ÍÅÆ aÍÅÆ ÉrbÖ cos Ö0 0 − AF ab (·w¿ sin Ö + ·w¿ cos Ö
%r%³
Le courant réactif est commandé indépendamment pour contrôler le flux de puissance réactive
et les autres paramètres sont utilisés pour maintenir la tension continue Ð_constante.
III.3.Conclusion : Dans ce chapitre, on a expliqué les modèles mathématiques des différents composants de la
turbine éolienne, Et par l’utilisation de la transformation de Park pour la modélisation de la
partie électrique de la chaine de conversion éolien.
Nous avons aussi donné un modèle du dispositif FACTS qui est le STATCOM comme un
élément essentiel pour la compensation de l‘énergie réactive lorsque le système subit un
défaut avec son système de commande à travers ces équations correspondantes comme la
régulation de la tension par compensation de l‘énergie réactive.
(III.48)
(III.49)
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 54
IV.1 Introduction :
L’intégration des fermes éoliennes au réseau électrique conduit à l’apparition des phénomènes
indésirables au fonctionnement du SEE, les fluctuations de la tension et de la fréquence. Le
développement rapide des éléments d’électronique de puissance fait un compromis entre
l’éolienne et le SEE [8].
L’étude de la stabilité transitoire consiste à analyser la réponse des machines à la
suited‘une forte perturbation en diverses positions du système électrique. Pour cela,dans le
présent de ce chapitre, nous étudions le comportement d’une machine asynchrone triphasée à
cage d'écureuil comme une génératrice dans les systèmes éoliens à vitesse fixe.L’avantage de
cette génératrice est d’être très fiable et relativement peu onéreuse par rapport aux d'autres
types des génératrices. Elle a également quelques caractéristiques mécaniques qui la rendent
très appropriée pour la conversion de l'énergie éolienne (glissement de la génératrice ainsi
qu'une certaine capacité de surcharge). La simulation sont effectuées sur réseaux électriques
tests, avec l’intégration de parc éolien, avec et sans intégrations des dispositifs FACTS
(STATCOM). Les simulations numériques, les résultats de calculs ainsi que les
représentations graphiques ont été obtenus par MATLAB/ Simulink.
IV.2Conditions de raccordement des éoliennes au SEE :
Lorsqu’une éolienne produit l’électricité, cette énergie est transportée aux clients via des
réseaux électriques. Notamment, selon la quantité d’énergie produite par la ferme éolienne et
adopter les conditions de raccordement. Il est donc souvent nécessaire de disposer sur le site
de production des transformateurs de puissance élévateur de tension permette de se raccorder
aux réseaux électrique [8].
Cependant, le raccordement aux réseaux doit prendre en compte les conditions de couplage,
qui se résument comme suit :
- L'égalité de valeurs maximales de tension, donc de leurs valeurs efficaces.
- L'égalité de fréquences.
- Un déphasage nul entre elles.
- En triphasé, même succession des phases [8 ; 3].
IV.3Stabilité d’une génératrice asynchrone couplée au réseau électrique :
Lors d’une génératrice à cage est fonctionnée normal, elle a un petit glissement et une petite
variation de la vitesse. La puissance absorbée par cette machine est aussi petite. Si la charge
et la puissance générée sont importantes, alors le glissement et la puissance réactive s’élevé.
Dans les fermes éoliennes la puissance réactive soit compensée par les batteries de
condensateurs. Cependant, ce système ne remplir pas la bonne compensation au cours de
fonctionnement des conditions de stabilité.
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 55
Au fonctionnement ordinaire, le couple électrique et le couple mécanique sont égaux
et la génératrice fonctionne aux conditions de stabilité. Quand un défaut apparu, une chute de
tension et une réduction de couple électrique de la génératrice qui fait un déséquilibre entre le
couple mécanique et électrique car le couple mécanique est fixé dans ce cas, cela nous
conduit à l’augmentation du glissement. Quand le défaut s’élimine la machine revient à son
état de fonctionnements normal [8].
IV.4 Description du réseau étudié :
Le système étudié en premier lieu est un réseau simple avec une ligne de transmission de 25
via une source de tension de 120 .
Les éoliennes sont raccordées via un transformateur de 575 V /25Kv et une ligne de 1km
Ce système comporte :
- Une ferme composée de deux éoliennes de 1.5.
- des générateurs asynchrones (machine asynchrone à cage d’écureuil) à vitesses fixes
commandée par un angle de calage (pitch angle).
- le STATCOM et SVC et connectés au jeu de barre3assuré le reste de lacompensation
réactive.
Tous les paramètres de ce réseau sont détaillés dans l‘annexe (A.1)
Tableau IV-1.Paramètres de bases du système étudié :
25
9
60
L’architecture de réseau étudie par l’auteur de l’article avec la ferme éolienne est illustrée
dans la figureIV-1 :
Chapitre IV
IV.4.1Résultats de Simulation
Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d‘essayer d'intégrer de 9MW
d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de
réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive.
sont présentés après une durée de simulation de 20s.
différents modèles comme suivants:
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
La Figure IV-1 : réseau test étudié.
Résultats de Simulation :
Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d‘essayer d'intégrer de 9MW
d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de
réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive.
après une durée de simulation de 20s.La simulation est exécutée aux 4
différents modèles comme suivants:
Simulation et Interprétation des résultats
Page 56
Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d‘essayer d'intégrer de 9MW
d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs de 400 dans le
réseau de distribution, sans compensation dynamique de la puissance réactive. les résultats
La simulation est exécutée aux 4
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 57
IV.4.1.1 Sans défaut et sans compensation :
Le but de fonctionnement de simulation dans ce mode est d’essayer d'intégrer de 9 MW
d'énergie éolienne qui est compensée par les batteries de condensateurs (PFC) dans le réseau
de distribution.
Dans les figures représenté ci-dessous, en constate une accélération de vitesse rotorique du
ferme 1 à = 13.41, comme montré dans la figure (IV-2(c)). Alors la première ferme
éolienne se déconnecte à cause de système de protection et l’insuffisance de l’énergie réactive
fournie par le PFC, comme montre aux figures (IV-2 ( a, b)) respectivement. La puissance
active et réactive au jeu de barre 3 se baisses de 9 à 6 MW et de 4.16 à 2 Kvar respectivement
comme montré dans les figures (IV-2 (d, e)).
a) La puissance active de la ferme
éolienne b) La puissance réactive de la ferme
éolienne
c) La vitesse rotorique de ferme éolienne
(m/s) d) La puissance active au jeu de barre 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
le temps (s)
la p
uiss
ance
act
ive
de w
ind
turb
ine
(Mw
)
ferme1ferme2ferme3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
le temps (s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e d
e w
ind
turb
ine
(Mva
r)
ferme1ferme2ferme3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
le temps (s)
la v
itess
e ro
tori
que
(m
/s)
ferme1ferme2ferme3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
2
4
6
8
10
12
le temps (s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e de
jeu
de b
arre
3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 58
e) La puissance active au jeu de barre 3
La Figure IV-2 : Résultats de simulation avec la compensation (PFC) et sans défaut.
IV.4.1.2 Avec défaut triphasé et en absence de STATCOM : Le but de cette simulation est
de vérifier la capacité de compensation de puissance réactive (PSF). Considérant un défaut
triphasé à la troisième ferme éolienne à l’instant = 15 de duré de0.09. Les résultats
illustrés après la simulation sont comme suit
a) Puissance active de trois fermes
b) Puissance réactive de trois fermes
c) Vitesse rotorique de trois fermes d) Tension au jeu de barre 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-2
0
2
4
6
8
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
ive
de je
u de
bar
re 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
le temps (s)
la p
uiss
ance
act
ive
de
tro
is f
erm
es (
Kw
)
ferme1ferme2ferme3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-3
-2
-1
0
1
2
3
4
le temps (s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e d
e w
ind
tur
bin
e (K
var)
ferme1ferme2ferme3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
le temps (s)
la v
itess
e ro
tori
que
de
troi
s fe
rmes
(m
/s)
ferme1ferme2ferme3
14.8 14.9 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5
0.4
0.6
0.8
1
1.2
le temps (s)
la te
nsio
n d
e je
u d
e b
arre
3
VaVbVc
Chapitre IV
e) Puissance active de jeu de barre
La Figure IV-3: Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à
D’après les résultats de simulation montré dans les figures (IV
ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.
l’insuffisance de l’énergie réactive fournie par le PFC et la troisième ferme éolienne se
déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV
c)). La puissance active et réactive au jeu de barre 3 se b
montré dans la figure (IV
s’accélèrent comme montré sur la figure (IV
de jeu de barre 3 à t = 15s.et en durée t
continuation de la tension comme montré dans la Figure (IV
IV.4.1.3 En présence de STATCOM avec un défaut triphasé
Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM
connecté au réseau de distribution
0 2 4 6 8 10-4
-2
0
2
4
6
8
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
ive
de je
u de
bar
re 3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
e) Puissance active de jeu de barre 3
f) Puissance réactive de jeu de barre
Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à t=15s.
D’après les résultats de simulation montré dans les figures (IV-3), on constate que la première
ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.
l’insuffisance de l’énergie réactive fournie par le PFC et la troisième ferme éolienne se
déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV
c)). La puissance active et réactive au jeu de barre 3 se baisse de 9Mw à 3 M
montré dans la figure (IV-3 (e)). La vitesse rotorique de première et de troisième ferme
s’accélèrent comme montré sur la figure (IV-3(c)), et on remarque une perturbation de tension
de jeu de barre 3 à t = 15s.et en durée t = 15s au t =15.1s il y a une perturbation, puis la
continuation de la tension comme montré dans la Figure (IV-3(d)).
En présence de STATCOM avec un défaut triphasé :
Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM
necté au réseau de distribution est motionné dans la figure (IV-4).
12 14 16 18 20le temps(s)
0 2 4 6-2
0
2
4
6
8
10
12
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e de
jeu
de b
arre
3
Simulation et Interprétation des résultats
Page 59
f) Puissance réactive de jeu de barre 3
Résultats de simulation avec (PFC) et Un défaut de durée de 0.09s appliqué à
3), on constate que la première
ferme éolienne se déconnecte avant l’apparition de défaut à l’instant t=13.41s à cause de
l’insuffisance de l’énergie réactive fournie par le PFC et la troisième ferme éolienne se
déconnecte à l’instant où l’apparition de défaut comme montré dans les figures (IV-3 (a, b,
aisse de 9Mw à 3 MW. Comme on a
e)). La vitesse rotorique de première et de troisième ferme
3(c)), et on remarque une perturbation de tension
= 15s au t =15.1s il y a une perturbation, puis la
Dans ce mode de simulation du parc éolien ave compensation dynamique par STATCOM est
8 10 12 14 16 18 20le temps (s)
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 60
La Figure IV-4 : Système avec la présence de STATCOM.
Les résultats de simulation de système de puissance en intégrant un STATCOM sont illustrés
dans les figures (IV-5).
a) La puissance active des trois fermes
éoliennes. b) La puissance réactive des trois fermes
éoliennes.
0 5 10 15 200
1
2
3
4
le temps(s)la p
uiss
ance
act
ive
win
d tu
rbin
e (M
W)
ferme1ferme2ferme3
0 5 10 15 20-3
-2
-1
0
1
2
3
le temps(s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e w
ind
turb
ine
(MV
Ar)
ferme1ferme2ferme3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 61
c) La vitesse rotorique des trois fermes éoliennes.
d) La tension de jeu de barre 3.
e) La puissance active de jeu de barre 3. f) La puissance réactive de jeu de barre 3.
FigureIV-5 : Résultats de simulations avec compensation(STATCOM) en présence de défaut triphasé t= 15s.
D’après les résultats de simulation précédentes, STATCOM est installé au jeu de barre 3.Les
figures (IV-5 (e, f)), montrent la puissance active et réactive au jeu de barre 3, on peut voir
dans les deux courbes de puissance active et réactive que l’éolienne fonctionne comme son
état initiale après le défaut.
Les figures (IV-5 (a, b, c)), montrent la puissance active et réactive et vitesse rotorique pour
chaque ferme éolienne, selon les résultats de la simulation les courbes présentées montre
l’importance de la compensation lorsque le parc éolien récupère son fonctionnement après le
défaut et prend sa stabilité avec une certaine oscillation par l’intervention de STATCOM
aujeu de barre 3.
0 5 10 15 201.002
1.003
1.004
1.005
1.006
1.007
le temps(s)
la v
itess
e ro
tori
que
win
d tu
rbin
e (m
/s)
ferme1ferme2ferme3
14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5
0
5
10
15
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
ive
de
jeu
de
barr
e 3
p-B3
14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5
0
5
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e de
jeu
de b
arre
3
Q-B 3
14.9 14.95 15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.40
0.5
1
1.5
2
le temps(s)
les
ten
sion
de
jeu
de
barr
3
VaVbVc
Chapitre IV
IV.4.1.4 En présence de SVC avec un défaut triphasé
Le réseau électrique compo
La Figure IV
a) La puissance active des trois fermes éoliennes
0 5 10-1
0
1
2
3
4
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
ive
de
jeu
de
bar
re 3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
En présence de SVC avec un défaut triphasé :
Le réseau électrique comporte un SVC comme motionné à la figure (IV-
La Figure IV -6 : Système avec la présence de SVC.
La puissance active des trois fermes éoliennes
b) La puissance réactive des trois fermes éoliennes.
10 15 20le temps(s)
farme1ferme2ferme3
0 5-4
-2
0
2
4
la p
uis
sanc
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activ
e d
e je
u d
e b
arre
3
Simulation et Interprétation des résultats
Page 62
-6).
avec la présence de SVC.
La puissance réactive des trois fermes éoliennes.
10 15 20le temps(s)
ferme 1ferme2ferme3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 63
c) La vitesse rotorique des trois fermes éoliennes.
d) La tension de jeu de barre 3.
e) La puissance active de jeu de barre 3. f) La puissance réactive de jeu de barre
3.
D’après les résultats de simulation nous remarquons aux figures (IV-7(a,b)) que les
puissances actives et réactives revient à son état de stabilité après le défaut avec quelques
oscillations à l’instant d’élimination de défaut, la figure (IV-7(d)) montre la tension au jeu de
barre auquel l’éolienne se connecte qui est aussi revient à son état de fonctionnement normal
à cause de la présence de SVC même aussi pour les puissance actives et réactives de jeu de
barre 3.
IV.4.1.5 Comparaison entre STATCOM et SVC :
L’augmentation de la capacité de SVC de 3MVAr à 4 MVAr et la capacité de STATCOM de
2 MVAr à 3.5 MVAr.
D’après les résultats de simulation. On constate que la ferme éolienne fonctionne à son régime
normal avec une apparition des petites perturbations au moment de défaut mais réagir après le
défaut cela montre l’efficacité de STATCOM et de SVC, sachant que le STATCOM est plus
efficace que le SVC,
La figure(IV-8)montre les courbes de système pour voir la différence entre STATCOM et
SVC.
0 5 10 15 201
1.005
1.01
1.015
1.02
1.025
le temps(s)
la v
itess
e ro
toriq
ue w
ind
turb
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(m/s
)
ferme1ferme2ferme3
14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 160.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
le temps(s)
la te
nsio
n de
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de b
arre
3
VaVbVc
10 11 12 13 14 15 16 17 18-5
0
5
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
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ive
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P-B3
10 11 12 13 14 15 16-5
0
5
10
le temps(s)la
pui
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ce r
éact
ive
de je
u de
bar
re 3
Q-B3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 64
a.1) La puissance active des trois fermes
éoliennes en présence de STATCOM.
a.2) La puissance active des trois fermes
éoliennes en présence de SVC.
b.1) la puissance réactive des trois fermes
éoliennes en présence de STATCOM.
b.2) la puissance réactive des trois fermes
éoliennes en présence de SVC.
c.1) la vitesse rotorique des trois ferme
éolienne en présence de STATCOM.
c.2) la vitesse rotorique des trois ferme
éolienne en présence de SVC.
0 5 10 15 200
1
2
3
4
le temps(s)la p
uis
san
ce a
ctiv
e w
ind
tu
rbin
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W)
ferme1ferme2ferme3
0 5 10 15 20-1
0
1
2
3
4
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
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de
jeu
de b
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3
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0 5 10 15 20-3
-2
-1
0
1
2
3
le temps(s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e w
ind
turb
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ferme1ferme2ferme3
0 5 10 15 20-4
-2
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2
4
le temps(s)
la p
uis
san
ce r
éact
ive
de
jeu
de
bar
re 3
ferme 1ferme2ferme3
0 5 10 15 201.002
1.003
1.004
1.005
1.006
1.007
le temps(s)
la v
itess
e ro
tori
que
win
d tu
rbin
e (m
/s)
ferme1ferme2ferme3
0 5 10 15 201
1.005
1.01
1.015
1.02
1.025
le temps(s)
la v
itess
e ro
tori
que
win
d tu
rbin
e (m
/s)
ferme1ferme2ferme3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 65
10 11 12 13 14 15 16 17 18-5
0
5
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
act
ive
de je
u de
bar
r 3
P-B3
d.1) la tension de jeu de barre 3 en présence
de STATCOM.
d.2) la tension de jeu de barre 3 en présence
de SVC.
e.1) la puissance active de jeu de barre 3 en
présence de STATCOM.
e.2) la puissance active de jeu de barre 3 en
présence de SVC.
f.1) la puissance réactive de jeu de barre 3 en
présence de SATCOM.
f.2) la puissance réactive de jeu de barre 3 en
présence de SVC.
Figure (IV-8) : Simulation de compensation de STATCOM et SVC.
14.4 14.6 14.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 160.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
le temps(s)
la te
nsio
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3
VaVbVc
14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5
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10
15
le temps(s)
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uiss
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p-B3
14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-5
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5
10
le temps(s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
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3
Q-B 3
14.9 14.95 15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.40
0.5
1
1.5
2
le temps(s)
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e b
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3
VaVbVc
10 11 12 13 14 15 16-5
0
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10
le temps(s)
la p
uiss
ance
réa
ctiv
e de
jeu
de b
arre
3
Q-B3
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 66
IV.5 Effets du STATCOM et SVC sur le temps critique :
Dans les systèmes électriques, le temps critique est le temps dans lequel le système ne peut
pas revenir à l’état stable, on va calculée le temps critique par la simulation et avec la
variation dans la durée de défaut et la valeur de puissance réactive de STATCOM et SVC. Le
système et déconnecté si la durée de défaut dépasse le temps critique, donc le système de
protection pour être efficaces doit satisfaire les 4 conditions suivant :
- Rapidité d’élimination des défauts ;
- Fiabilité des protections ;
- Sensibilité ;
- Sélectivité d’élimination des défauts [8].
Tableau IV.2. Représente la variation de durée défaut et le STATCOM et SVC.
Durée de défaut (sec) 0.01 0.02 0.05 0.06 0.07 0.08 0.089 Valeur de SVC Q (MVAr) 10 11 14 16 18 20 22 Valeur de STATCOM Q (MVAr) 9 12 13 15 16 17 22
La Figure IV-9 : Temps critique pour plusieurs valeurs de STATCOM et SVC.
IV.6 Conclusion :
Ce chapitre a fait l’objet d’une étude du fonctionnement d’un système éolien basé sur la
machine asynchrone à cage fonctionnant à vitesse fixe. Ce système de production est intégré
dans le réseau électrique. Des simulations réalisées pour voir comment les fermes éoliennes
réagissent dans les différents états du système (permanent, transitoire) en présence de défaut
Chapitre IV Simulation et Interprétation des résultats
Page 67
symétrique avec des dispositifs FACTS tels que le STATCOM et SVC. Les résultats de
simulation dans le premier cas montrent que la compensation de puissance réactive par le
STATCOM ou SVC rend possible l'intégration de la ferme éolienne dans un réseau de
distribution.
Le rôle des dispositifs FACTS tels que SVC et STATCOM dans l'amélioration de la
performance du système est spécifié. L'amélioration de la stabilité, la régulation de tension,
augmentation de la transmission de puissance et surtout en tant que fournisseur d'énergie
réactive commandable pour accélérer la reprise de tension après défaut occurrence, sont
considérés comme des facteurs d'amélioration. Les résultats de la simulation montrent une
meilleure performance de la stabilité d'un parc éolien de la rémunération par rapport à la
rémunération STATCOM et SVC pendant l’apparition de défaut, mais la remarque que le
STATCOM est plus efficace que le SVC.
CONCLUSIONS GENERALES
Master 2015 P.C .1
Conclusion générale
L'éolienne constitue un moyen écologique de production d'énergie.Il existe de nombreux
types d'éoliennes ; et ce dû à la diversité des demandes. En effet, elles peuvent être utilisées
par des particuliers. Les éoliennes utilisées dans ce cas sont des petites éoliennes domestiques
isolées. Dans le réseau électrique d‘un pays, des éoliennes de grande taille dites fermes (ou
parcs) éoliennes formant une centrale d'aérogénérateurs. problématiqueabordée dans ce
mémoire et étudier la stabilité de la puissance dans un réseau électrique. cette étude constitue
un sujet important pour la planification et l'exploitation des réseaux électriques.
A la lumière de notre travailnous avons présentédans un premier chapitre e rappelle les
concepts fondamentaux de la chaîne de conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique.
Au regard de ce chapitre, il est apparu que la production d'énergie électrique par éoliennes se
divise en deux catégories, celle fonctionnant à vitesse fixe et l’autre à vitesse variable.
Une fois que vous parlez des turbines nous parlons de stabilité, Pour cela, nous avons au
deuxième chapitre fait l’objet d’une généralité sur stabilité de réseau électrique et les moyens
d’amélioration de la stabilité transitoire du SEE.La compensation classique (transformateur à
prise réglable, les condensateurs fixe et les inductances…etc), et modern FACTS
(STATCOM, SVC, SSSC, UPFC...etc), avec leurs structures et principe de fonctionnement.
Face à ces besoins, nous avons réalisé uneétude la modélisation de la chaîne de conversion
éolienne, partie mécanique puis la partie électrique composant de la machine asynchrone
à cage et modélisé le réseau test.
La partie simulation de ce mémoire est consacrée à étude de la stabilité du ferme éolienne
connecté à un réseau électrique en présence du système FACTS et étude de sa stabilité
transitoire lors D‘un court-circuit affectant ces réseaux. Dans ce cas, le modèle proposé
démontre l’impact de l'intégration des fermes éoliennes dans le réseau électrique et les
moyens de compensation permettant d’améliorer la stabilité transitoire dans un système
électrique.
Enfin, nous pouvons dire que les systèmes FACTS découlent d’un concept qui a
tendance à élargir son champ d’intervention. Il nous semble prioritaire de poursuivre une
étude approfondie sur les modes et stratégies des réseaux de transport d’énergie électrique.
ANNEXES
P A.1
Annexe A. paramètre de l’éolienne :
Tableau A.1. Paramètres de la turbine éolienne :
L’angle de calage β 0° La vitesse du vent 9(m/s)
5 25
L’angle de calage maximal 45°
Tableau A.2. Paramètres de la génératrice éolienne :
La puissance nominale 1.5 MVA La tension entre phase 575V
La fréquence 60 HZ La résistance et inductance statorique 0.004843 (Pu), 0.1248 (Pu)
Résistance et inductance rotorique 0.004377(Pu), 0.1791 (Pu) Inductance mutuelle 6.77 (Pu)
Nombre de pair de pôles 3
Tableau A.3. Paramètres du transformateur de l’éolienne :
La puissance nominale 4MVA La fréquence 60 HZ
Le rapport de tension/ 25 KV/575 MVA La résistance et l’inductance primaire 0.1362 Ω, 0.010362
La résistance et l’inductance secondaire 6.88e-5 Ω, 5.4813 e-6 H La résistance de magnétisation 78125 Ω L’inductance de magnétisation inf
Tableau A.4. Paramètres de la ligne :
La fréquence 60 HZ La résistance 0.1153 Ω/km L’inductance 1.05e-3 H/km
La capacitance 11.33e-009 F/km
Tableau A.5.Paramètres du transformateur du réseau électrique :
La puissance nominale 47 MVA La fréquence 60 HZ
Le rapport de tension/ 120 KV/ 25 KV La résistance et l’inductance primaire 0.81702 Ω, 0.0065016 H
La résistance et l’inductance secondaire 0.10638 Ω, 0.0084657 H La résistance de magnétisation 153.19 e3 Ω L’inductance de magnétisation 406.35 H
ANNEXES
P B.2
Annexe B. Paramètre du STATCOM et SVC :
Tableau B.1. Paramètres du STATCOM :
la tension nominale 25(KV) la fréquence nominale 60 (Hz) La puissance apparente 3(MVA)
La résistance R 0.22/30 (Pu) L’inductance L 0.22(Pu)
la tension continue dc (V) 4000/10 la capacitance (µF) 1.079e-15
Tableau B.2. Paramètres de l’SVC :
La tension nominale 25 (KV) la fréquence nominale 60(Hz) La puissance apparente 3(MVA) Les limites du réactive [-1 3]
Références bibliographiques
Page 1
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:ملخص
مصادر الطاقات المتجددة التي تمكننا من انتاج الطاقة الكھربائية، تؤدي الى حل مشاكل توزيع الكھرباء في المناطق
وضياع التوازن بين ا=نتاج على استقرار الشبكات الكھربائية ومن خصائص الرياح تكمن في التغيير فإنھا تأثر. المعزولة
التكامل بين مزارع الرياح على استقرار الشبكة في تأثيرمن ھذا العمل ھو دراسة والھدف.الكھربائية واCستھBك للطاقة
عند ھو واحد من مكوناته قادر على التعويض عن النظام الكھربائي STATCOMمثل المعوض FACTSأنظمة وجود
اCستقرارلتحسين STATCOMأظھرت فعالية Simulink/Matlabبيئة راة باستخدام المجالمحاكاة .للخطأالتعرض
.في مزرعة التوصيل بشبكة الكھرباء في وجود الخطأ عابر
.STATCOM ،SVCالرياح،طاقة مزرعة مولدات ،تنميطشبكات كھربائية، اCستقرار العابر، :كلمات مفتاحية
Résumé :
Les sources d'énergie renouvelables, ce qui nous permet de produire l'énergie électrique,
conduire à une solution aux problèmes de distribution d'électricité dans les régions isolées. Il
se trouve dans les caractéristiques du vent de changement qu'ils ont affecté la stabilité des
réseaux électriques et la perte de l'équilibre entre la production et la consommation d'énergie
électrique.Le but de ce travail est d'étudier l'impact de l'intégration des parcs éoliens sur la
stabilité du réseau en présence de systèmes FACTS tels que STATCOM compensateur est
l’un de ses éléments qui est apte à compenser un réseau électrique lorsqu’il est sujet à un
défaut. Des simulations réalisées sous environnementSimulink/ MATLAB montré l'efficacité
de STATCOMpour l’amélioration de la stabilité transitoire de fermes éoliennes connectées à
un réseau électriques.
Mots Clés :Réseaux Electriques, Stabilité transitoire, Simulation, ferme éolienne,
STATCOM, SVC.
Abstract :
Renewableenergy, whichallows us to produceelectric power, lead to a solution to
electricityproblems in remote areas. It lies in the characteristics of the wind of change
thataffected the stability of power systems and the loss of the balance between production and
consumption of electricenergy،The purpose of thisworkis to study the impact of the
integration of windfarms on gridstability in the presence of FACTS systemssuch as
STATCOM compensatoris one of the elementsthatis capable of compensating for an electrical
network whenitissubject to a fault. Simulations in Simulink environment / .Matlab showed the
effectiveness of STATCOM for improvingtransientstability of windfarmsconnected to an
electrical network.
Key Words:Power system,transientsstability,Simulation,Wind Farm, STATCOM, SVC.