Bouaraki Mouloud

N Ordre........../FHC/UMBB/2012

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE MHAMED BOUGARA-BOUMERDES

Facult des Hydrocarbures et de la Chimie

Mmoire de Magister

Prsent par

Bouaraki Mouloud

Filire : Gnie lectrique Option : Equipements Electriques Industriels

Etude dun entrainement double alimentation pour turbine olienne vitesse variable : Application sur un site

TINDOUF

Devant le jury : Mr Refoufi Larbi Prof UMBB Prsident Mr Kesraoui Mohamed MC/A UMBB Rapporteur Mr Bentarzi Hamid MC/A UMBB Examinateur Mr Hasni Mourad MC/A USTHB Examinateur Mme Acheli Dalila MC/A UMBB Examinateur

Anne Universitaire : 2011/2012

A toute ma famille, pour son soutien moral, Je ddie ce modeste travail

Ddicace

Remerciements

Je tiens tout dabord remercier vivement mon promoteur Mr KESRAOUI Mohamed

pour l'aide qu'il m'a apport, ses prcieux conseils et ainsi pour sa sympathie durant tout le

droulement de ce travail.

Je remercie aussi tous les membres du jury pour lintrt quils ont port mon travail

et leur exprime ma profonde gratitude.

Je remercie bien videment ma mre, qui je ddie ce travail. Elle ma non seulement

encourag et support tout au long de mes tudes mais dans toutes les sphres de ma vie.

Je voudrais aussi remercier ma femme qui ma soutenu tout au long de la prparation

de ce mmoire, mes frres, mes surs qui mont encourag pendant toutes les phases de mes

tudes, je remercie aussi mes beaux frres, mes belles surs, mes neveux et mes nices.

Je remercie tous mes enseignants et tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin

laboutissement de ce travail.

:

Rsum :

Ce mmoire a pour objectif dune part ltude et la commande dune gnratrice asynchrone double alimentation(MADA) intgre dans un systme olien et dautre part le dimensionnement et loptimisation technico-conomique dun systme olien hybride appliqu sur la rgion de Tindouf. Nous avons prsent en premier lieu un tat de lart sur les arognrateurs, ltude et la modlisation de la MADA ont aussi t prsents, suivi par ltude et la modlisation de la partie mcanique de lolienne. Nous avons aussi prsent la commande vectorielle en puissances actives et ractives statoriques de la MADA intgre dans un systme olien, ainsi que sa simulation en utilisant le logiciel Matlab Simulink. Dans la dernire partie de notre mmoire, nous avons prsent le potentiel olien de notre pays, suivi par le dimensionnement dun systme olien hybride alimentant en nergie lectrique un village isol dans la rgion de Tindouf. A laide du logiciel Homer, nous avons tudi la faisabilit et loptimisation technico-conomique du systme complet. Mots cls : Arognrateur, modlisation, machine asynchrone double alimentation (MADA), commande vectorielle, convertisseur, systmes hybrides, dimensionnement. Abstract: The purpose of this thesis is in one hand, the study and the control of doubly fed induction generator (DFIG) integrated in a wind energy conversion system (WECS). In the other hand the system sizing in addition to a technical and economic optimization of a wind hybrid electricity supply system for an isolated village inTindouf in the south west of Algeria have been performed. Initially the state of art of the wind energy conversion systems has been given. After that the study and modeling of the DFIG are then presented, followed by study and modeling of the mechanical part of the WECS. Active and reactive powers vector control of the DFIG based WECS is applied and simulated using Matlab/Simulink. Finally Algerias wind potential, followed by a detailed sizing of a wind hybrid electricity supply system using meteorological data of an isolated village in Tindouf are presented. Homer software has been used to perform the technical and economic optimization study of the hybrid system in order to choose which the best feasible system for that location. Keywords: Wind Energy Conversion system, converter, doubly fed induction generator (DFIG), Field oriented control, System sizing, Hybrid systems.

Sommaire Notation 8

Introduction gnrale 1

1 Gnralits Sur Les Arognrateurs 4

1.1 Introduction 4

1.2 Do vient le vent ....................................................................................................... 41.3 Dveloppement de lnergie olienne .............................................................................. 51.4 Taille des oliennes .................................................................................................... 51.5 Les diffrents types des oliennes ..................................................................................... 6

1.5.1 Les oliennes axe vertical 61.5.2 Les oliennes axe Horizontal 7

1.6 Emplacement des parcs oliens .................................................................................. 81.7 Etat de lart des WECS ..................................................................................................... 9

1.7.1 Systmes utilisant les machines asynchrones 91.7.1.1 Machine asynchrone cage d'cureuil. 101.7.1.2 Machine asynchrone double stator 11

1.7.1.3 Machine asynchrone connecte au rseau par l'intermdiaire d'une interface d'lectronique de puissance 12

1.7.1.4 Machine double alimentation de stator avec rotor cage 121.7.1.5 Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin" 13a. Machine asynchrone double alimentation nergie rotorique dissipe 14b. Machine asynchrone double alimentation structure de Kramer 15c. Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec cycloconvertisseur 16d. Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec convertisseurs MLI. 16

1.7.2 Systmes utilisant les machines synchrones 171.7.2.1 Machine synchrone rotor bobin ou aimants 181.7.2.2 Machine synchrone aimants permanents discode 19

1.8 Conclusion ...................................................................................................................... 192. Etude de la partie mcanique de lolienne 21

2.1 Introduction .............................................................................................................. 212.2 Principaux composants dune olienne .................................................................... 22

2.2.1 La tour 222.2.2 La nacelle 232.2.3 Le Rotor 232.2.4 Un multiplicateur de vitesse 242.2.5 Le systme contrle commande de l'olienne 252.2.6 Le systme de refroidissement 26

2.3 Scurit des oliennes .............................................................................................. 262.4 Impacts des sites oliens sur lenvironnement ............................................................... 26

2.4.1 La dgradation du paysage 26

2.4.2 Les nuisances sonores 262.4.3 Les problmes ornithologiques 27

2.5 La modlisation ............................................................................................................. 272.5.1 La surface balaye par le rotor 272.5.2 La densit de l'air 28

2.5.4 Puissance rcuprable par une turbine ................................................................... 282.5.5 Modle du Multiplicateur : ........................................................................................ 302.6 Rgulation mcanique de la puissance dune olienne ................................................ 32

2.6.1 Le systme pitch 332.6.2 Le systme stall ou dcrochage arodynamique 34

2.7 Conclusion ...................................................................................................................... 353. Etude et Modlisation de la machine asynchrone double alimentation. 37

3.1 Introduction 37

3.2 Structure de la machine : 38

3.3 Application des machines asynchrones double alimentation 39

3.4 Modes de fonctionnement de la machine double alimentation : 40

3.4.1 Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone. ..................................................... 413.4.2 Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone. .................................................... 413.4.3 Fonctionnement en mode gnrateur hypo synchrone. .............................................. 413.4.4Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone. ..................................................... 41

3.5 Avantages et inconvnients de la MADA 42

3.5.1. Avantages de la MADA ............................................................................................ 423.5.2 Inconvnients de la MADA : ..................................................................................... 43

3.6 Modle de la machine asynchrone double alimentation (MADA) dans le 43

3.6.1 Modle dynamique dune machine asynchrone double alimentation. ................... 433.6.2 .Hypothses simplificatrices : ..................................................................................... 443.6.3 quations lectriques de la machine ........................................................................... 453.6.4 quation mcanique de la machine ............................................................................ 47

3.7 Modle de la machine asynchrone a double alimentation (MADA) dans le 47

3.7.1 La transformation de Park .......................................................................................... 473.7.2 Matrices de passage .................................................................................................... 483.7.3 quation des tensions .................................................................................................. 493.7.4 Choix du rfrentiel ..................................................................................................... 503.7.5 quations des flux ....................................................................................................... 51

3.8 Mise sous forme dquations dtat 51

3.9 Conclusion 534. La Commande des puissances active et ractive de la MADA intgre dans systme olien

54

4.1 Introduction .................................................................................................................... 544.2 Principe de la commande vectorielle ............................................................................. 554.3 Modle de la MADA avec orientation du flux statorique : ............................................ 56

4.3.1 Choix du rfrentiel pour le modle diphas 564.3.2 Relation entre le courant statorique et le courant rotorique 594.3.3 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques 594.3.4 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques 60

4.4 Commande de la MADA ................................................................................................. 624.4.1 Mise en place de la rgulation 624.4.2 Synthse de rgulateur PI 63

4.5 Prise en compte de l'onduleur ct rotor ....................................................................... 664.6 Modulation de largeur dimpulsion MLI ....................................................................... 674.7. Convertisseur cot rseau ............................................................................................. 674.8 Intgration de la MADA dans un systme olien ........................................................... 684.9 Simulation du systme .................................................................................................... 694.10 Interprtation des rsultats .......................................................................................... 734.11 Conclusion ................................................................................................................... 74

5. Dimensionnement et optimisation technico-conomique dun systme olien hybride

appliqu sur la rgion de Tindouf 75

5.1 Introduction .................................................................................................................... 755.2 La carte des Vents de LAlgrie ..................................................................................... 775.3 La vitesse moyenne saisonnire du vent en Algrie ....................................................... 785.4 Evolution de lolien dans les sites isols ...................................................................... 79

5.4.1 Taux de Pntration du Vent 805.4.2 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne 825.4.3 Systmes Hybrides Wind-Diesel 83

5.5 Le choix et les caractristiques du village alimenter ................................................. 845.6 Prsentation du logiciel HOMER ................................................................................. 845.7 Application dun systme olien/diesel sur le site de Tindouf ....................................... 85

5.7.1 Dtails de la charge 867.5.2 Dtails des composants 875.7.3 Dtails des ressources 885.7.4 Dtails conomiques 895.7.5 Les contraintes du systme 895.7.6 Simulation du systme sans groupe lectrogne 905.7.7 Optimisation et Simulation du systme hybride olien/diesel 925.7.8 Interprtation et discussion des rsultats 94

5.8 Comparaison entre systmes isols (stand alone) et lextension du rseau .............. 1045.9 Etude de la sensibilit avec la variation du vitesse du vent /prix du diesel ................ 1055.10 Conclusion .................................................................................................................. 107

Conclusion Gnrale et perspectives 108

Rfrences 110

Annexe 113

Notat

MADA

s, r

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Ls ,Lr

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Msr

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: flux sta

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Notation

Introduction gnrale

L'intense industrialisation des dernires dcennies et la multiplication des

appareils domestiques lectriques ont conduit des besoins plantaires considrables en

nergie lectrique. Face cette demande, toujours croissante de nos jours, les pays

industrialiss ont massivement fait appel aux centrales nuclaires. Cette source d'nergie

prsente l'avantage indniable de ne pas engendrer de pollution atmosphrique

contrairement aux centrales thermiques, mais le risque d'accident nuclaire, le traitement

et l'enfouissement des dchets sont des problmes bien rels qui rendent cette nergie

peu attractive pour les gnrations futures , laccident de Tchernobyl et le sisme de

Fukushima au Japon sont deux exemples des risques qui peuvent tre engendrs par cette

nergie . Pour faire face ces diffrents problmes, les pays se tournent de plus en plus

vers lutilisation de sources dnergies propres et renouvelables. En effet, ces pays se sont

engags, moyen terme, augmenter dans leur production dnergie lectrique la part

dnergie dorigine renouvelable.

Parmi ces sources dnergies renouvelables, lnergie olienne est celle qui a le

potentiel nergtique le plus important. La puissance des oliennes installes dans le

monde augmentant de plus en plus tous les ans, les systmes oliens ne peuvent plus se

comporter comme uniquement des gnrateurs de puissance active dans les rseaux de

distribution ou de transport, selon la puissance installe. En effet, ils seront certainement

amens, court terme, fournir des services systmes (compensation de la puissance ractive

par exemple) comme les alternateurs de centrales classiques et/ou participer

lamlioration de la qualit de lnergie lectrique (filtrage des courants harmoniques en

particulier).

Actuellement, le systme olien vitesse variable bas sur la Machine

Asynchrone Double Alimentation (MADA) est le plus utilis dans les fermes

oliennes terrestres. Son principal avantage, et non des moindres, est davoir ses

convertisseurs statiques triphass dimensionns pour une partie de la puissance

nominale de la MADA, ce qui en fait un bnfice conomique important par rapport

dautres solutions possibles de conversion lectromcanique (machine synchrone

Introduction Gnrale

2

aimants permanents par exemple). En effet, la MADA permet un fonctionnement sur une

plage de vitesse de 30 % autour de la vitesse de synchronisme, garantissant ainsi

dimensionnement rduit des convertisseurs statiques car ceux-ci sont connects entre le

bobinage rotorique de la MADA et le rseau lectrique.

Le prsent mmoire dcrit les diffrents systmes oliens existants dans la littrature

et prsente une tude sur lutilisation de la machine asynchrone double alimentation

pour des fortes puissances, pilote travers les grandeurs rotoriques, intgre dans un

systme olien, suivi par le dimensionnement et loptimisation technico-conomique dun

systme olien hybride appliqu sur la rgion de Tindouf.

La prsentation de ces travaux est organise en cinq chapitres dtaills ci-aprs.

Dans le premier chapitre nous allons prsenter un tat de l'art sur la conversion

lectromcanique travers les diffrents types de gnratrices utilises et les convertisseurs

qui leur sont associs. Nous allons montrer les caractristiques de chaque systme, ainsi

lintrt que prsente la machine asynchrone double alimentation par rapport dautres

machines utilise dans les systmes de conversion oliens.

Dans le deuxime chapitre, nous allons tudier la partie mcanique de la turbine

olienne, nous prsenterons ses lments constitutifs, ensuite nous parlerons sur la puissance

rcuprable de vent, et nous modliserons la turbine, en dernier les diffrents modes de

rglage mcanique de puissance de la turbine seront discuts.

Dans le troisime chapitre, nous prsenterons des gnralits sur la MADA, ses

applications, ses variantes de fonctionnement et ses avantages. Ainsi la modlisation de la

MADA en faisant appel la transforme de Park.

Le quatrime chapitre sera consacr la commande vectorielle en puissance active et

ractive statorique de la machine asynchrone double alimentation intgre dans un

systme olien. Le stator de la MADA est aliment par une source triphase et le rotor est

connect un onduleur triphas. Lalimentation continue de londuleur est suppose

constante, Les rsultas de simulation par Matlab/Simulink seront prsents.

Le dernier chapitre prsente le dimensionnement et loptimisation technico-

conomique dun systme olien hybride alimentant un village isol dans la rgion de

Tindouf, dans cette partie nous allons prsenter la carte du vent dAlgrie, et les vitesses

Introduction Gnrale

3

moyennes mensuelles de chaque rgion du pays , suivi par des notions sur les systmes

hybrides, et afin dtudier la faisabilit technico-conomique de notre systme hybride, nous

allons fait appel au logiciel de modlisation nergtique HOMER (Hybrid Optimisation

Model for Electric Renewables) qui est un outil puissant pour la conception et l'analyse des

systmes de production d'lectricit hybrides.

Les rsultats obtenus dans ces investigations nous permettront de conclure sur les

mthodes et outils utiliss et d'envisager les perspectives et suites donner ce travail.

Chapitre 1 : Gnralits Sur Les Arognrateurs

4

Chapitre 1

Gnralits Sur Les Arognrateurs

1 Gnralits Sur Les Arognrateurs 1.1 Introduction

Depuis longtemps, lhomme utilise lnergie olienne, au dbut, elle a t utilise pour

faire avancer les bateaux, moudre du grain ou pomper de leau. Par la suite pendant plusieurs

dcennies lnergie olienne a servi produire de lnergie lectrique, que ce soit lchelle

individuelle avec le petit olien ou grande chelle avec le grand olien, lnergie du vent

peut contribuer diversifier la production dnergie lectrique, en outre, lnergie olienne est

une nergie propre, renouvelable qui peut pallier aux problmes environnementaux.

Plusieurs technologies sont utilises pour capter l'nergie du vent (capteur axe vertical ou

axe horizontal) et les structures des capteurs sont de plus en plus performantes.

Dans ce chapitre, nous allons prsenter des rappels sur les systmes oliens travers

les quations et les concepts physiques rgissant leur fonctionnement, suivis dun tat de lart

des diffrentes configurations possibles des systmes oliens et les convertisseurs qui leur

sont associs

1.2 Do vient le vent La ressource olienne provient du dplacement des masses dair qui est d

indirectement lensoleillement de la Terre. Par le rchauffement de certaines zones de la

plante et le refroidissement dautres, une diffrence de pression est cre et les masses dair

sont en perptuel dplacement. Lnergie olienne est lune des plus anciennes sources


5

dnergie, Cette nergie propre et renouvelable, elle est utilise depuis plus de 3000 ans [1],

elle est utilise pour la production dlectricit depuis 100 ans [4].

Les avantages que prsente cette nergie la rend trs attractive nos jours vu les problmes

environnementaux qui peuvent tre engendrs par dautres sources dnergie.

1.3 Dveloppement de lnergie olienne La demande croissante en nergie lectrique dans le monde, le problme du

rchauffement climatique et les missions de gaz effet de serre sont des facteurs qui ont fait

de lnergie olienne une source dnergie alternative et durable ,la comparant avec dautres

sources dnergie ,lnergie olienne est renouvelable et produit une nergie propre , elle est

devenue un moyen trop important dans la production de lnergie lectrique dans plusieurs

pays ,llectricit produite par lnergie olienne ces dernires annes sest considrablement

dveloppe de manire trs remarquable , La capacit mondiale a atteint 159 213 MW, dont

38 312 MW ajouts en 2009 avec un taux de croissance de 31,7 % ,L'ensemble des oliennes

installes fin 2009 dans le Monde produit 340 TW.h par an, l'quivalent de la demande totale

en lectricit de l'Italie, septime plus importante conomie mondiale, et gale 2 % de la

consommation lectrique mondiale. [30].

Fig 1.1 Evolution des puissances oliennes installes dans le monde en MW [30]

1.4 Taille des oliennes

Afin de rpondre la demande croissante de lnergie lectrique, les constructeurs et

les chercheurs ont met le point sur la taille des oliennes, et cela pour pouvoir utiliser le

maximum de la force du vent, tout en cherchant ce que lhlice balaie une surface ou le vent

est maximum. La figure suivante prsente la taille des hlices en m et puissance en KW quon

peut trouver sur le march des oliennes. Actuellement les grandes oliennes commercialises


6

possdent une hlice de plus de 100m, donc elle est perche en haut plus de 100m de

hauteur pour produire 4.5 MW. [31]

Fig.1.2 : Taille des hlices en m et puissances en KW [29]

1.5 Les diffrents types des oliennes

Les oliennes se divisent en deux grandes familles : les oliennes axe vertical qui

tendent disparatre, les oliennes axe horizontal utilises surtout pour le pompage et la

production dnergie lectrique.

1.5.1 Les oliennes axe vertical

Ce type doliennes est trs peu rpandu, les oliennes axe vertical ont t les

premires tre utilises pour la production dlectricit.

Il prsente lavantage de ne pas ncessiter de systme dorientation des pales et de possder

tous les organes de commande, le multiplicateur et le gnrateur au niveau du sol donc

facilement accessibles, ce que facilite les interventions de maintenance. En revanche,

certaines de ces oliennes doivent tre entranes au dmarrage et le mat, souvent trs lourd,

subit de fortes contraintes mcaniques poussant ainsi les constructeurs pratiquement

abandonner ces arognrateurs (sauf pour les trs faibles puissances) au profit doliennes

axe horizontal [14] de plus , la prsence du capteur d'nergie prs du sol l'expose aux

turbulences et au gradient de vent ce qui rduit son efficacit. Elles sont de plus exposes


7

des problmes d'arolasticit dus aux fortes contraintes qu'elles subissent [20], ce qui

concerne leur implantation, elles occupent une surface trs importante ce qui reprsente un

grand inconvnient surtout dans les sites agricoles.

Les principaux capteurs axe vertical sont le rotor de Savonius et le rotor de Darrieus.

Le rotor de Savonius : (du nom de son inventeur, brevet en 1925) :Le rotor de Savonius dont le fonctionnement est bas sur le principe de "trane diffrentielle"

utilis dans les anmomtres : les efforts exercs par le vent sur chacune des faces d'un

corps creux sont d'intensit diffrente, il en rsulte alors un couple moteur entranant

la rotation de l'ensemble. L'effet est ici renforc par la circulation d'air entre deux

demi-cylindres qui augmente le couple moteur

Le rotor de Darrieus : invent par lacadmicien franais Darrieus au cours des annes 1925 1935 repose sur leffet de la portance dun profil soumis laction dun vent

relatif, il existe quatre types de rotors de Darrieus : le rotor cylindrique, le rotor

tronconique, le rotor variation cyclique et le rotor parabolique [13].

1.5.2 Les oliennes axe Horizontal

Les oliennes axe horizontal sont les plus rpandues actuellement, Les diffrentes

constructions des arognrateurs utilisent les voilures deux, trois pales qui sont les plus

courantes et les multipales. La caractristique de puissance Cp() dpend principalement du

nombre de pales . dimension dhlice identique, les oliennes axe horizontal produisent

plus de puissance par rapport aux oliennes axe vertical.

Ces capteurs axe horizontal occupent une surface au sol trs rduite, par rapport aux

capteurs axe vertical, seule la tour qui occupe de la place au sol et regroupe tous les

systmes de raccordement, de plus leur efficacit nergtique est beaucoup meilleure [4]. La

voilure peut tre place avant la nacelle (upwind) et alors un systme mcanique dorientation

de la surface active de lolienne face au vent est ncessaire. Une autre solution qui

permet dallger la construction par la suppression de toute mcanique dorientation est

lemplacement de la turbine derrire la nacelle (downwind). Dans ce cas la turbine se place

automatiquement face au vent. Les oliennes de ce type sont assez rares car

des vibrations importantes sont noter qui sont dues au passage des pales derrire le mat. La

Figure 1-3 montre les deux procds.


8

Le Tableau 1.1 prsente une classification des turbines oliennes selon leur puissance dlivre :

Tableau 1.1 : Classification des turbines oliennes.

1.6 Emplacement des parcs oliens Le vent est un phnomne alatoire, sa vitesse varie dune journe une autre, dune

saison une autre, et dune rgion une autre. Cela est d aux phnomnes thermiques lis au

rayonnement solaire. , la vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant la

journe partir du lever de soleil [11].les variations mensuelles et saisonnires de la vitesse

du vent dpendent du lieu gographique et sont diffrentes dun site un autre.

Le choix de lemplacement des parcs est bas donc sur la recherche des sites la ou il y a un

niveau du vent suffisant tout au long de lanne pour permettre une production maximale,

gnralement les cotes, les bords de mers, et les plateaux offrent des caractristiques

intressantes pour lemplacement des arognrateurs .cependant une question qui se pose

dont il faut tenir compte est celle de limpact de ces parcs sur le paysage, lolien offshore

semble une solution.

Lolien offshore, semble une solution pour viter la dgradation du paysage cause

par linstallation des parcs oliens onshore, lolien offshore offre aussi des conditions trs

intressantes en terme du vent. La premire ferme offshore mise en service tait en 1991 en

mer baltique sur les cotes de Danemark, actuellement lolien offshore sest largement

Echelle Diamtre de l'hlice Puissance dlivre

Petite moins de 12 m moins de 40 kW

Moyenne 12 m 45 m de 40 kW 999 kW

Grande 46 m et plus 1MW et plus

Figure 1.3 : Eolienne face au Vent Eolienne sous le Vent

V V

Upwind Downwind


9

dvelopp, World Wind Energy Association estime que la puissance totale offshore installe

en Europe en 2020 atteint 40GW.

Pour la ralisation de ces fermes oliennes, en proche offshore, les mts sont monts

sur des fondations ancres dans le fond, mais lorsque lon sloigne des ctes, il devient

difficilement concevable de conserver ces moyens. Cest ainsi que sest dvelopp le concept

doffshore flottant, issu de la technologie des plates-formes ptrolires [19].

Figure 1.4 La premire ferme olienne offshore : 11 X 450 kW (1991, Vindeby) [19]

1.7 Etat de lart des WECS

1.7.1 Systmes utilisant les machines asynchrones Les machines lectriques asynchrones sont les plus simples et les moins coteuses.

Elles ont lavantage dtre standardises, fabriques en grande quantit et dans une trs

grande chelle des puissances. Elles sont aussi les moins exigeantes en terme dentretien et

prsentent un taux de dfaillance trs peu lev [18], En fait, un tiers de la consommation

mondiale d'lectricit est utilis pour faire fonctionner des moteurs induction qui actionnent

des machines, pompes, ventilateurs, compresseurs, ascenseurs et d'autres types d'quipement

requrant la conversion de l'nergie lectrique en nergie mcanique.

Pour produire de lnergie, cette machine doit tre magntise, cette magntisation peut tre

fournie soit par des condensateurs connects en parallle avec les enroulements statoriques

soit par le rseau.

Lorsque la machine asynchrone connecte au rseau, elle ne produit que lorsque sa

vitesse de rotation est lgrement suprieure sa vitesse de synchronisme, dans le cas de la

caractristique ci-dessous, la gnratrice devra garder une vitesse comprise entre 1500 et 1600

tr/min


10

Figure 1-5 : Caractristique couple/vitesse d'une machine asynchrone 2 paires de ples [21].

1.7.1.1 Machine asynchrone cage d'cureuil.

Contrairement aux autres moyens traditionnels de production d'nergie lectrique o

l'alternateur synchrone est largement utilis, c'est la gnratrice asynchrone cage d'cureuil

qui quipe actuellement une grande partie des oliennes installes dans le monde. Ce type de

gnratrice n'est en fait que trs rarement utilis, sauf dans l'industrie olienne et dans les

petites centrales hydrauliques. Le dispositif le plus simple et le plus couramment utilis

consiste coupler mcaniquement le rotor de la machine asynchrone l'arbre de transmission

de l'arognrateur par l'intermdiaire du multiplicateur de vitesse et connecter directement

le stator de la machine au rseau (Figure 1-6). La machine a un nombre de paire de ples fixe

et doit donc fonctionner sur une plage de vitesse trs limite (glissement infrieur 2%).le

grand avantage de ce type est sa simplicit et le sa robustesse , aucune interface entre le stator

et le rseau et pas de contacts glissants ce qui permet de limiter la maintenance. Cependant ce

type est toutefois consommateur d'nergie ractive ncessaire la magntisation du rotor de la

machine, ce qui dtriore le facteur de puissance global du rseau. Ce dernier peut tre

amlior par l'adjonction de capacits reprsentes sur la Figure 1-6 qui deviennent la seule

source de puissance ractive dans le cas d'un fonctionnement autonome de l'olienne.

Le systme fonctionne une vitesse fixe. Il n'exploite pas la totalit de la

puissance thoriquement disponible pour les vitesses de vent leves .De plus les variations

du couple mcanique sont frquentes puisque le systme d'orientation des pales est souvent en


11

action pour pallier aux variations de vitesse du vent. Ce qui affecte le rendement de

larognrateur.

Figure 1-6 : Connexion directe dune machine asynchrone sur le rseau

1.7.1.2 Machine asynchrone double stator Pour amliorer le systme dcrit ci-dessus, certains arognrateurs sont quips

dune machine asynchrone double stator (Figure 1-7), cad deux enroulements statoriques,

lun conu pour les faibles vitesses du vent grand nombre pair de ples et lautre pour les

fortes vitesses du vent petit nombre pair de ples. Donc le systme fonctionne une vitesse

de rotation fixe avec deux points de fonctionnement tout en rduisant le bruit caus par

lorientation de langle de calage .Mais linconvnient majeur de systme est la prsence dun

second bobinage statorique qui rend la sa conception difficile ainsi que son cout de revient

est trop important.

Multiplicateur

RESEAU f

Sens de transfert dnergie

MA

Multiplicateur

MAS

Energie

Energie

Rseau f

Figure 1-7 : Machine asynchrone double stator


12

1.7.1.3 Machine asynchrone connecte au rseau par l'intermdiaire d'une interface d'lectronique de puissance

Le systme reprsent sur la Figure 1-8.permet un fonctionnement vitesse variable ,

quelle que soit la vitesse du vent on aura une tension frquence fixe ,en effet la tension

produite sera redresse et transforme en tension continue, Le fonctionnement de l'onduleur

est alors classique et une commande adquate permet de dlivrer une tension alternative de

frquence fixe correspondant celle du rseau avec un facteur de puissance unitaire , La

puissance nominale de la gnratrice dtermine alors la puissance maximale que peut fournir

lolienne, cependant le convertisseur ( redresseur ,onduleur ) sera dimensionn pour la

totalit de puissance produite par lolienne ce qui reprsente un cout en plus ,et engendre des

pertes importantes (allant jusqu 3% de la puissance nominale de la machine) [21]et des

perturbations qui affectent la qualit dnergie et le rendement de larognrateur . En outre,

comme toute machine asynchrone, l'nergie ractive ncessaire la magntisation sera

fournie par les capacits connectes au stator de la machine. Ces inconvnients ont limit

lutilisation de ce systme.

Figure 1-8 : Machine asynchrone connecte sur le rseau par l'intermdiaire d'un ensemble redresseur onduleur

1.7.1.4 Machine double alimentation de stator avec rotor cage Brushless Doubly-Fed Machine (BDFM) Cette configuration de machine essai dallier les avantages de la Machine

asynchrone cage et de la Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin. Elle

Multiplicateur


13

est constitue par un rotor cage et par deux bobinages triphass indpendants dans le stator.

Un des bobinages du stator, appel Bobinage de Puissance (BP), est directement reli au

rseau, tandis que lautre, dont la section des conducteurs est moins leve, permet de faire

varier les courants d'excitation de la machine appel Bobinage de Commande (BC), est

aliment par un convertisseur bidirectionnel (Fig. 1.9). La matrise de ltat lectromagntique

de la machine est assure par le bobinage de commande, ce qui permet de gnrer dans le

bobinage de puissance une tension la frquence et amplitude nominales du rseau mme si

le rotor sloigne de la vitesse synchronique [22].

Figure 1-9 : Machine asynchrone brushless connecte sur le rseau. le convertisseur est dimensionn uniquement pour faire transiter la puissance destine la

magntisation de la machine et est donc moins coteux que dans le cas du systme prcdent

dcris dans la (Figure 1.8),en outre la machine nas pas de contacts glissants ce qui rduit le

cot de la maintenance par rapport celui de la machine asynchrone rotor bobin,

cependant la machine possde deux stators nombre de paire de ples diffrent ce qui

augmente son diamtre et sa complexit de fabrication , Ce systmes n'est pas exploit

industriellement mais existe l'tat de prototype.

1.7.1.5 Machine asynchrone double alimentation type "rotor bobin"

La machine asynchrone double alimentation (MADA) avec rotor bobin prsente un

stator triphas identique celui des machines asynchrones classiques et un rotor contenant

galement un bobinage triphas accessible par trois bagues munies de contacts glissants.

Multiplicateur


14

Intgre dans un systme olien, la machine a gnralement son stator connect au rseau et

l'nergie rotorique varie selon diffrents systmes dcrits ci-dessous. Les convertisseurs

utiliss sont alors dimensionns pour une fraction de la puissance nominale de la machine.

Le surcot engendr par la prsence de bobinages au rotor est alors compense par l'conomie

ralise sur le convertisseur.

La diminution de puissance du convertisseur statique permet la minimisation des

composants de filtrage et de conversion, laccroissement de la fiabilit de llectronique, la

diminution du cot de lensemble et lamlioration de la qualit donde gnre (grce la

diminution de lamplitude des courants commuts par le convertisseur et laugmentation de la

frquence de hachage) [22].

Par contre, ladoption dun rotor bobin limite la capacit de surcharge et introduit des modes

doscillation supplmentaires par rapport au rotor cage, plus rigide dans sa construction.

Pour une puissance nominale donne, la machine rotor bobin sera plus encombrante et plus

lourde que lquivalent cage. Pour finir, la prsence des balais oblige des interventions de

maintenance frquentes [22], [28].

a. Machine asynchrone double alimentation nergie rotorique dissipe

Cette configuration vitesse variable est reprsente sur la (Figure 1-10), le stator est

connect directement au rseau et le rotor est connect un redresseur. Une charge rsistive

est alors place en sortie du redresseur par l'intermdiaire d'un hacheur IGBT ou GTO [10].

Le contrle de lIGBT permet de faire varier l'nergie dissipe par le bobinage rotorique et de

fonctionner vitesse variable en restant dans la partie stable de la caractristique

couple/vitesse de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifi en fonction de la

vitesse de rotation du moteur. Si le glissement devient important, la puissance extraite du

rotor est leve et elle est entirement dissipe dans la rsistance R, ce qui nuit au rendement

du systme. De plus cela augmente la puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la

taille de la rsistance. Le fabriquant "VESTAS" dans son dispositif "OPTI-SLIP" a mis en

uvre ce systme en utilisant des composants qui tournent avec le rotor et une transmission

optique des signaux de commande. Les contacts glissants sont ainsi vits. La variation

maximale du glissement obtenue dans ce procd est de 10% [17].


15

Figure 1.10 : MADA avec contrle du glissement par l'nergie dissipe

b. Machine asynchrone double alimentation structure de Kramer Le hacheur et la rsistance du systme prcdent sont remplacs par un onduleur qui

renvoie l'nergie de glissement vers le rseau afin de minimiser les pertes d'nergie ( Figure 1-

11).Comme dans le cas de la machine brushless prsente ci-dessus, ce systme est

avantageux s'il permet de rduire la taille du convertisseur par rapport la puissance nominale

de la machine. Afin de respecter cette contrainte, le glissement est maintenu infrieur 30%.

L'utilisation de thyristors pour l'onduleur nuit au facteur de puissance, de plus le redresseur est

unidirectionnel (transfert d'nergie uniquement du rotor de la machine vers le rseau) donc le

systme ne peut produire de l'nergie que pour des vitesses de rotation suprieures au

synchronisme

Figure 1.11 : MADA, structure Kramer

ENERGIE

Multiplicateur

Multiplicateur

ENERGIE


16

c. Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec cycloconvertisseur

Pour avoir un flux d'nergie bidirectionnel entre le rotor et le rseau, l'association

redresseur-onduleur peut tre remplace par un cycloconvertisseur (Figure 1-12), l'ensemble

est alors appel structure de Scherbius [24].

La plage de variation de vitesse est double par rapport la structure de la Figure 1.18.

En effet si la variation du glissement doit rester infrieure 30% pour maintenir l'efficacit du

systme, cette variation peut tre positive (fonctionnement hyposynchrone) ou ngative

(fonctionnement hypersynchrone).

Figure 1.12 : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur Le principe du cycloconvertisseur est de prendre des fractions des tensions sinusodales du

rseau afin de reproduire une onde de frquence infrieure. Son utilisation gnre par

consquent des perturbations harmoniques importantes qui nuisent au facteur de puissance du

dispositif. Les progrs de llectronique de puissance ont conduit au remplacement du

cycloconvertisseur par une structure deux convertisseurs IGBT commands en MLI.

d. Machine asynchrone double alimentation structure de Scherbius avec convertisseurs MLI.

Cette configuration (Figure 1.13) a les mmes caractristiques que la structure de

Scherbius avec cycloconvertisseur. Toutefois les interrupteurs utiliss ici (transistors IGBT)

peuvent tre commands l'ouverture et la fermeture et leur frquence de commutation est

plus leve que celle des GTO [18], [20]. L'utilisation de ce type de convertisseur permet

d'obtenir des allures de signaux de sortie en Modulation de Largeur d'Impulsions dont la

RESEAU f

CYCLOCONVERTISSEUR

ENERGIE

Multiplicateur


17

modularit permet de limiter les perturbations en modifiant le spectre frquentiel du signal

(rejet des premiers harmoniques non nuls vers les frquences leves).

La structure du dispositif et la philosophie de fonctionnement sont semblables

celle de la MADA de type "brushless" (Figure 1-9). Toutefois, malgr la prsence de contacts

glissants qui doivent tre entretenus et remplacs priodiquement, la conception de cette

machine est plus conventionnelle et plus simple que la machine brushless (un seul bobinage

au stator, un autre au rotor). Plusieurs tudes rcentes, confirmes par des ralisations

industrielles, montrent la viabilit de ce dispositif dans un systme olien vitesse variable.

La bi-directionalit du convertisseur rotorique autorise les fonctionnements hyper et

hyposynchrone et le contrle du facteur de puissance ct rseau.

Figure 1.13 : structure de Scherbius avec convertisseurs MLI Si le glissement reste infrieur 30 % autour du synchronisme, le convertisseur est alors

dimensionn pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes reprsentent

moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de

produire de l'nergie du stator vers le rseau mais galement du rotor vers le rseau .La

puissance totale ainsi produite peut alors dpasser la puissance nominale de la machine et le

facteur de puissance de l'ensemble peut tre maintenu unitaire. La prsence d'un convertisseur

MLI peut toutefois entraner des dv/dt importants dans les enroulements rotoriques et faire

circuler des courants de frquences levs dans ces mmes enroulements [20], [21].

1.7.2 Systmes utilisant les machines synchrones Les machines asynchrones prsentent le dfaut dimposer la prsence dun

multiplicateur de vitesse et un couple insuffisant pour un couplage mcanique direct sur les

voilures oliennes. Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples

trs importants, elles peuvent donc tre utilises en entranement direct sur les turbines

RESEAU f

ENERGIE

Multiplicateur


18

oliennes. Les systmes de ce type possdent aussi leurs dfauts, ils demandent un entretien

rgulier des bagues et balais. Le couplage direct sur le rseau est proscrit car tant beaucoup

trop rigide, une lectronique de puissance simpose pour toutes les applications utilisant ce

type de machines qui sont vitesse variable.

1.7.2.1 Machine synchrone rotor bobin ou aimants

Dans une machine synchrone classique utilise en alternateur, le champ cr par la

rotation du rotor doit tourner la mme vitesse que le champ statorique. Ainsi, si l'alternateur

est Connect au rseau, sa vitesse de rotation doit tre rigoureusement un sous-multiple de la

pulsation des courants statoriques. L'adaptation de cette machine un systme olien pose des

problmes pour maintenir la vitesse de rotation de l'olienne strictement fixe et pour

synchroniser la machine avec le rseau lors des phases de connexion. Pour ces raisons, on

place systmatiquement une interface d'lectronique de puissance entre le stator de la machine

et le rseau (Figure 1-14) ce qui permet d'autoriser un fonctionnement a vitesse variable dans

une large plage de variation.

Figure 1-14 : Machine synchrone relie au rseau par un dispositif redresseur hacheur Onduleur MLI

L'exemple de la Figure 1-14 [10] prsente une configuration classique d'interface de

connexion d'une machine synchrone au rseau. Le convertisseur connect au stator de la

machine est un simple redresseur puisqu'elle n'absorbe pas de puissance ractive, ce qui

permet d'viter les dv/dt importants sur les enroulements statoriques. Ce redresseur est

classiquement suivi d'un hacheur lvateur permettant de dlivrer une tension suffisante

l'onduleur MLI pour les faibles vitesses de rotation. La prsence de l'onduleur MLI permet de

Multiplicateur


19

contrler le facteur de puissance cot rseau. Ces convertisseurs sont toutefois dimensionns

pour la totalit de la puissance nominale de la machine et entranent jusqu' 3% de cette

puissance de pertes. Notons que l'utilisation de machines synchrones faible vitesse (grand

nombre de paire de ples) permet de supprimer le multiplicateur de vitesse, pice mcanique

complexe entranant des pertes et des pannes frquentes mais l'augmentation du nombre de

ples implique une machine de trs grand diamtre reprsentant un barrage important pour

l'coulement du vent.

1.7.2.2 Machine synchrone aimants permanents discode

La machine synchrone aimants permanents et entrefer axial dite "discode" peut

tre constitue, dans sa structure lmentaire (tage), soit dun disque rotorique entour par

deux disques statoriques, soit de deux disques rotoriques entourant le disque statorique.

Un disque rotorique est constitu dun circuit magntique torique portant les aimants

permanents sur une ou deux faces. Le disque statorique est constitu dun circuit magntique

torique section rectangulaire portant les bobinages statoriques. Ces derniers peuvent tre

enrouls autour du tore statorique, ou encore, ils peuvent tre logs dans des encoches

disposes radialement tout au long de lentrefer. Cette structure axiale permet de raliser une

machine modulaire en disposant plusieurs tages les uns ct des autres et en les connectant

en parallle.

Nous pouvons trouver dans la littrature dautres systmes machines spciale dont

on peut citer machine rluctance variable non excite et machine rluctance variable

excite par des courants triphass au stator, qui sont dcrits dans [1], [21]

1.8 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons prsent un rappel sur les diffrents types doliennes et

leur mode de fonctionnement, nous avons aussi dtaill les diffrentes configurations possible

des systmes oliens et leur convertisseurs associes, savoir les systmes utilisant la machine

asynchrone et les systmes utilisant la machine synchrone.

Nous avons vu dans ce chapitre que lolienne a deux principaux modes de

fonctionnement soit connect directement au rseau, soit en autonome. La machine

asynchrone cage dcureuil reprsente une solution importante vu son prix de revient qui est

relativement faible par rapport aux autres systmes oliens ,de plus labsence des contacts

glissants rend sa maintenance facile et moins coteuse ; cependant , pour pouvoir fonctionner


20

vitesse variable ,linsertion des convertisseurs de puissance entre la gnratrice et le rseau

est une ncessit , mais leur prsence nuit au rendement global de linstallation , nous avons

vu que la configuration du systme olien bas sur la machine asynchrone double

alimentation donne un bon rapport entre la plage de variation de vitesse qu'il autorise et la

taille du convertisseur par rapport la puissance nominale de la machine. Nous avons vu si le

glissement reste infrieur 30 % autour du synchronisme, le convertisseur sera alors

dimensionn pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes reprsentent

moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de

produire de l'nergie du stator vers le rseau mais galement du rotor vers le rseau .La

puissance totale ainsi produite peut alors dpasser la puissance nominale de la machine et le

facteur de puissance de l'ensemble peut tre maintenu unitaire.

Chapitre 2 : Etude de la partie mcanique de lolienne

21


2. Etude de la partie mcanique de lolienne

2.1 Introduction

Dans ce chapitre, nous allons tudier et modliser la partie mcanique de la turbine

olienne qui est une partie importante dans la conversion dnergie du vent, cette

modlisation sera utilise par la suite dans le systme global de conversion dnergie

olienne, nous allons aussi prsenter les principaux lments qui la composent,

Nous prsenterons les diffrents systmes utiliss dans la rgulation mcanique de

puissance de lolienne.


22

2.2 Principaux composants dune olienne

Une olienne est constitue principalement de trois parties : les pales (entre 1 et 3), la

nacelle et la tour. Chacune de ces parties doit tre minutieusement tudie et modlise de

faon obtenir un meilleur rendement et une bonne fiabilit du systme ainsi quun faible

cot dinvestissement.

2.2.1 La tour La tour est gnralement un tube d'acier ou ventuellement un treillis mtallique, elle doit tre

le plus haut possible pour viter les perturbations prs du sol. Toutefois, la quantit de matire

mise en uvre reprsente un cot non ngligeable et le poids doit tre limit. Un compromis

consiste gnralement prendre une tour (mt) de taille trs lgrement suprieure au

diamtre du rotor de l'arognrateur (exemple : olienne NORDEX N90 2,3 MW: diamtre

de 90m, mt 80m) [16].

Fig .2.2: Eolienne avec Pylne en treillis [29]

Fig 2.3: petite olienne sous le vent avec un pylne lger hauban [29]

Fig. 2.1: Pylne tubulaire dun futur parc olien [29]


23

2.2.2 La nacelle La nacelle se retrouve au sommet de la tour, elle regroupe tous les lments mcaniques

permettant de coupler le rotor olien au gnrateur lectrique : arbres lent et rapide,

roulements, multiplicateur. Le frein, le gnrateur, les systmes hydrauliques ou lectriques

d'orientation des pales (frein arodynamique), le systme de refroidissement par air ou par

eau, un anmomtre et le systme lectronique de gestion de l'olienne. Tous ces lments

sont reprsents dans la figure suivante :

2.2.3 Le Rotor

Le Rotor est constitu par de pales montes sur le moyeu , sa fonction principale est

de transformer lnergie cintique du vent en nergie mcanique ,lnergie capte par

lolienne est en fonction de la vitesse du vent et la surface balaye par lhlice , cette

dernire est directement lie au diamtre du rotor ,plus le diamtre est grand plus la surface

balaye est importante .Pour les oliennes destines la production d'lectricit, le nombre de

pales varie classiquement de 1 3, le rotor tripale (concept danois) tant de loin le plus

rpandu car il reprsente un bon compromis entre le cot, le comportement vibratoire, la

pollution visuelle et le bruit [29].

Fig. 2.4: Elments constituants une olienne [29]


24

Les pales se caractrisent principalement par leur gomtrie (la largeur, la longueur)

dont dpendront les performances arodynamiques et les matriaux dont elles sont constitues

La plupart des pales modernes des grandes oliennes sont fabriques en plastique (polyester

ou poxy) renforc par des fibres de verre (en anglais, appel aussi GRP - glass fibre

reinforced plastics). L'utilisation de fibres de carbone ou d'aramide comme matriaux de

renforcement est une autre possibilit, mais en gnral, une telle solution s'avrera trop chre

pour les grandes oliennes. Les matriaux composites de bois, bois-poxy ou bois-fibres-

poxy n'ont pas encore pntr le march des pales, bien qu'on explore toujours les

possibilits de leur utilisation pour la fabrication des pales. Les alliages d'acier et d'aluminium

posent des problmes de poids et de fatigue du mtal, respectivement. Par consquent, ces

alliages sont actuellement seulement utiliss pour les pales trs petites

[29], [30].

2.2.4 Un multiplicateur de vitesse La puissance produite par la rotation du rotor d'une olienne est transmise la

gnratrice par toute une chane dynamique, c.--d. par l'arbre lent, le multiplicateur et l'arbre

rapide, Mais pourquoi, en fait, utiliser un multiplicateur, N'est-ce pas possible d'entraner la

gnratrice directement par la puissance produite par l'arbre lent ?

Si nous utilisions une gnratrice ordinaire, raccorde directement un rseau 50 Hz et

trois phases avec deux, quatre ou six ples, il nous faudrait une turbine une vitesse extrme

variant entre 1.000 et 3.000 tours par minute. Avec un diamtre de rotor de 43 mtres, cela

impliquera une vitesse tangentielle des pales du rotor leur extrmit de plus de deux fois la

vitesse du son il vaut donc mieux laisser tomber cette ide tout de suite. Une autre possibilit

consiste construire une gnratrice marche lente, munie d'une multitude de ples. Mais si

vous dsirez raccorder votre gnratrice directement au rseau, vous aurez besoin d'une

gnratrice 200 ples (c.--d. 300 aimants) pour obtenir une vitesse de rotation raisonnable

de 30 tours par minute. Un autre problme est le fait que la masse du rotor de la gnratrice

doit tre plus ou moins proportionnelle au couple (moment ou couple de torsion) que le rotor

doit pouvoir supporter. De toute manire, une gnratrice entrane directement sera donc trs

lourde - et cotera trs chre [4], [29].


25

2.2.5 Le systme contrle commande de l'olienne Le systme de contrle de l'olienne est compos d'un certain nombre d'ordinateurs

qui surveillent sans cesse la condition de l'olienne, tout en recueillant des statistiques sur son

fonctionnement. Comme son nom l'indique, cette unit contrle galement plusieurs

interrupteurs, pompes hydrauliques et soupapes situs l'intrieur de l'olienne. Avec

l'augmentation de la taille des oliennes, il devient encore plus important que leur taux de

disponibilit soit trs lev, donc que leur fonctionnement soit fiable tout moment.

Le systme contrle commande communique avec le propritaire ou l'oprateur de

l'olienne par un lien de communication, p.ex. en transmettant des alarmes ou des demandes

d'entretien par tlphone ou radio. Il rend galement possible d'appeler l'olienne afin de

recueillir des statistiques et de contrler sa condition actuelle. Dans un parc olien, il est

normal qu'une des oliennes soit dote d'un ordinateur permettant de contrler et de recueillir

les donnes des autres oliennes du parc. On peut appeler cet ordinateur par communication

tlphonique ou radio.

En gnral, on installe un systme contrle commande et tout en bas de la tour, et

l'intrieur de la nacelle. Sur les modles rcents, la communication entre les deux systmes est

normalement assure par des fibres optiques. Sur certains des nouveaux modles, on a plac

un troisime systme de contrle dans le moyeu du rotor. Cette unit communique avec le

systme de contrle situ dans la nacelle par des communications en srie au travers de cbles

coupls par des bagues et des brosses sur l'arbre lent. Il est possible de surveiller ou de rgler

entre 100 et 500 paramtres diffrents dans une olienne moderne. Le systme contrle-

commande vrifie p.ex. la vitesse de rotation du rotor, la gnratrice, la tension et l'intensit

du courant de celle-ci. En outre, on peut enregistrer les foudres et leur charge. Il est galement

possible d'obtenir des informations sur la temprature de l'air en dehors de l'olienne, la

temprature dans les armoires lectroniques, la temprature de l'huile du multiplicateur, la

temprature des enroulements de la gnratrice, la temprature des paliers du multiplicateur,

la pression hydraulique, l'angle de pas de chaque pale du rotor (en cas d'oliennes pas

variable ou contrle actif par dcrochage arodynamique), l'angle d'orientation (en comptant

le nombre de dents sur la couronne du dispositif d'orientation), le nombre de torsions des

cbles, la direction du vent, la vitesse du vent, la force et la frquence des vibrations dans la

nacelle et les pales du rotor, l'paisseur des garnitures des freins, si la porte de la tour est

ouverte ou ferme (systme d'alerte), etc. [29], [31].


26

2.2.6 Le systme de refroidissement Sur la plupart des oliennes, on assure ce refroidissement en enrobant la gnratrice

dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand ventilateur qui refroidit l'air. Il y a

cependant un petit nombre de constructeurs d'oliennes qui la place utilisent des

gnratrices refroidies par eau. Ces gnratrices peuvent tre construites de faon plus

compacte ce qui comporte quelques avantages au niveau du rendement lectrique, mais elles

requirent en mme temps l'installation d'un radiateur dans la nacelle afin de se dbarrasser de

la chaleur provenant du systme de refroidissement par liquide.

2.3 Scurit des oliennes Pour viter lemballement du rotor par fort vent, les pales du lolienne sont

conues dune faon dcrocher progressivement vitesse du vent critique. le rotor ne monte

pas en vitesse avec laugmentation de la vitesse du vent cause des turbulences qui se crent

autour de la pale et font diminuer sa portance rduisant ainsi le couple produit [3].

Certaines oliennes sont dotes darofreins placs sur le bord de fuite ou en extrmit

des pales, actionnes par un system centrifuge ou hydraulique pour les grandes machines, de

plus de ce system toutes les oliennes sont quipes dun frein mcanique de scurit pour

ralentir ou maintenir larrt le rotor.

2.4 Impacts des sites oliens sur lenvironnement

2.4.1 La dgradation du paysage Les arognrateurs peuvent atteindre une hauteur de plus de 100m pour un diamtre

des pales de 70m. C'est pourquoi les oliennes peuvent occasionner une dgradation

importante du paysage. Des craintes existent quant la dprciation du foncier et de

l'immobilier proximit des parcs oliens. Cependant, certaines tudes montrent que l'olien

n'a que peu d'influence sur les cours de l'immobilier.

2.4.2 Les nuisances sonores Le bruit que gnrent les oliennes peut tre d'origine mcanique (rotation du rotor et

fonctionnement de la gnratrice) ou d'origine arodynamique (lorsque les pales fendent

l'air). Les oliennes installes actuellement produisent un bruit de 55 dBA leur pied.


27

2.4.3 Les problmes ornithologiques Les impacts des parcs oliens sur la biodiversit touchent principalement les oiseaux

et les chauves-souris. Ils sont de trois types - mortalit, drangement, perte d'habitat - et

varient en fonction des espces, des saisons, des milieux, de la taille des parcs oliens...S'ils

sont relativement faible par rapport ceux d'autres activits humaines (agriculture intensive,

collision avec les vitres d'immeubles allums la nuit, avec les voitures ou les fils lectriques,

prdation des chats domestiques, chasse...) ils constituent nanmoins des risques

supplmentaires qu'il convient de connatre afin de pouvoir les rduire. La mortalit varie de 0

40 oiseaux et chauves-souris par olienne et par an. Lors de la migration, la prsence

d'oliennes sur une voie migratoire entrane gnralement des ractions d'vitement,

augmentant d'autant la difficult du priple. Pour certaines espces, la prsence de

nombreuses oliennes entrane une dsertion totale de la zone, comme c'est le cas pour le

vanneau hupp sur un site allemand.

2.5 La modlisation

Une olienne capte l'nergie cintique du vent et la convertie en un couple qui fait

tourner les pales du rotor. Trois facteurs dterminent le rapport entre l'nergie du vent et

l'nergie mcanique rcupre par le rotor : la densit de l'air, la surface balaye par le rotor et

la vitesse du vent

La surface balaye par le rotor

2.5.1 La surface balaye par le rotor La surface balaye par le rotor d'une olienne typique de 600 kW est de quelque

1.500 m2, le diamtre du rotor tant d'environ 43 44 m. L'nergie rcuprable par une

olienne dpend en effet de la surface balaye par son rotor. Etant donn que la surface

balaye par le rotor s'accrot avec le carr du diamtre du rotor, un doublement de celui-ci

entranera une rcolte de 22 = 2 x 2 = quatre fois plus d'nergie.


28

2.5.2 La densit de l'air L'nergie cintique contenue dans un objet en dplacement est proportionnelle sa

masse volumique (ou son poids). Elle dpend donc de la densit de l'air, c.-.-d. la masse de

l'air par unit de volume. Ou autrement dit, plus l'air est dense, plus la partie de l'nergie

rcuprable par l'olienne est importante.

A une pression atmosphrique normale et une temprature de 15 degrs Celsius, l'air pse

environ 1,225 kg par mtre cube. Cependant, la densit diminue un peu lorsque l'humidit de

l'air augmente. De mme, l'air froid est plus dense que l'air chaud, tout comme la densit de

l'air est plus faible des altitudes leves (dans les montagnes) cause de la pression

atmosphrique plus basse qui y rgne [10] [29].

2.5.3 La Vitesse du vent La variation journalire de la vitesse du vent est due aux phnomnes thermiques lis

au rayonnement solaire. La vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant la

journe partir du lever du soleil. Les variations saisonnires ou mensuelles de la vitesse du

vent dpendent du lieu gographique et diffrent dun site un autre. Seuls les relevs

mtorologiques des paramtres vent sur une longue priode peuvent caractriser ces

variations.

2.5.4 Puissance rcuprable par une turbine

La turbine qui comporte trois pales de longueur R, fixes sur un arbre dentranement

tournant une vitesse turbine, qui entranera une gnratrice (MADA) travers un

multiplicateur de vitesse de gain G. La figure (2.5) montre le schma dune turbine olienne. L'nergie olienne provient de l'nergie cintique du vent. En effet, si

nous considrons une masse d'air, m, qui se dplace avec la vitesse v, l'nergie

cintique de cette masse est :

EC= 21 2mv (2.1)

Si, pendant lunit de temps, cette nergie pouvait tre compltement

rcupre l'aide d'une hlice qui balaie une surface S, situe perpendiculairement


29

la direction de la vitesse du vent, la puissance instantane fournie serait, alors :

Pv = 21 3.. vS =

21 32... vR (2.2)

: masse volumique de lair (celle-ci est de 1,25 Kg/m en atmosphre normale). S : cest la surface circulaire balaye par la turbine, le rayon du cercle est dtermin par la

longueur de la pale.

R : correspond pratiquement la longueur de la pale.

v : est la vitesse du vent (en m/s).

Fig.2.5 : Schma de la turbine olienne

Daprs la relation (2 .2) on remarque que la puissance est directement proportionnelle

la surface balaye par le rotor, mais surtout au cube de la vitesse du vent.

Toutefois, toute l'nergie ne peut tre capte, on ne peut pas extraire la totalit de la puissance

car la vitesse du vent n'est pas nulle aprs l'olienne. On introduit alors un coefficient Cp, qui

dpend des caractristiques arodynamiques des pales. Ce coefficient correspond au

rendement du rotor de lolienne [4], [29], [6], [21]. La puissance sur l'arbre du rotor ou la

puissance arodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine scrit :

Paero= CpPv= 21 )...)(,( 32 vRCP (2.3)

Cp : coefficient de puissance dfini comme suit :

7.9563. 10 17.375. 10 9.86. 10 9.410 6.38. 10 0.001 (2.4)

turbine

Caer

MADA

GnrateurMultiplicateur

Turbine

R

mec

Cg


30

: angle dorientation des pales. : est le ratio de vitesse dfini comme tant le rapport entre la vitesse linaire des pales turbine.R, et la vitesse du vent V. =

vRturbine. (2.5)

La quantit d'nergie susceptible d'tre convertie en lectricit par une olienne dpend avant

tout de la vitesse du vent. L'nergie transporte par le vent varie avec le cube de la vitesse

moyenne du vent. Ainsi, un doublement de la vitesse du vent correspond une augmentation

de sa capacit nergtique de 2, soit 2 x 2 x 2= 8 fois.

2.5.5 Modle du Multiplicateur : Les multiplicateurs utiliss actuellement comportent gnralement deux trois trains

dengrenages picyclodaux permettant dobtenir des rapports de multiplications de lordre de

100.ces engrenages sont gnrateurs de bruit et de pertes mcaniques [4].

Le multiplicateur a pour rle dadapter la vitesse lente de la turbine la vitesse de la

gnratrice, et pour pouvoir le modliser, nous allons utiliser un gain de vitesse G qui

correspond au rapport de multiplication.

gC = GCaer (2.6)

Avec

Cg : couple issu du multiplicateur ;

Caer : couple arodynamique ;

G : Gain du multiplicateur.

Pour la vitesse, on aura :

turbine = Gmec (2.7)


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2.5.6 Equation dynamique de larbre

La modlisation de la transmission mcanique se rsume donc comme suit

== mecmect CcouplesdtdJ (2.8) Jt: le moment dinertie de la turbine quivalent aux inerties des trois pales de

lolienne

Cmec : le couple mcanique, ce dernier prend en compte :

Le couple lectromagntique produit par la gnratrice Cem ;

Le couple de frottement visqueux Cvis ;

Et le couple issu du multiplicateur Cg

visemgmec CCCC = (2.9)

Le schma bloc de la Figure 2-7 correspond aux modlisations arodynamique et

mcanique de la turbine olienne. Ce schma bloc montre que la vitesse de rotation mec de la

MADA, donc de la turbine, peut tre contrle par action soit sur langle de calage des pales

, soit sur le couple lectromagntique Cem de la MADA. La vitesse du vent v est considre

comme une entre perturbatrice au systme [8].

Fig. 2.7: Modlisation de la partie mcanique de lolienne [9].


32

2.6 Rgulation mcanique de la puissance dune olienne

Les oliennes sont conues pour produire de l'lectricit un prix aussi bas que

possible. Par consquent, les oliennes sont en gnral construites de manire atteindre leur

performance maximale environ 15 m/s. Il est en fait inutile de concevoir des oliennes qui

maximalisent leur rendement des vitesses de vent encore plus leves, celles-ci tant peu

frquentes. [29]

En cas de vitesses de vent suprieures 15 m/s, il est ncessaire de perdre une partie

de l'nergie supplmentaire contenue dans le vent afin d'viter tout endommagement de

l'olienne. Toutes les oliennes sont donc conues avec un systme de rgulation de la

Puissance.

Lobjectif de cette rgulation est double, dune part de protger lolienne par vent

fort et dautre part de dlimiter la puissance. En effet, la turbine olienne est dimensionne

pour fournir une puissance nominale Pn une vitesse de vent nominale vn, au del de cette

vitesse les paramtres de la turbine doivent voluer afin de fournir la puissance nominale et de

ne pas produire au del dune vitesse maximale vn qui pourrait endommager la turbine. On

peut dfinir quatre zones de fonctionnement :

la zone I : le vent nest pas suffisant pour faire fonctionner la turbine la zone II : la puissance fournie par larbre va dpendre de la vitesse du vent La zone III : la vitesse de rotation est maintenue constante par rgulation de la vitesse

et la puissance P fournie reste gale Pn.

La zone IV : la vitesse de vent est trop importante, pour ne pas dtriorer le gnrateur olien, les pales de la turbine sont mises en drapeaux (_=90)

Figure 2.8 Caractristique puissance/vitesse de vent d'une olienne classique [19]


33

La majorit des oliennes connectes au rseau lectrique sont quipes dun dispositif

de rglages de lincidence des pales pour pouvoir fonctionner une vitesse quasiment

constante [3], ainsi pour avoir une tension frquence constante pour diffrents vents.

Ils existent plusieurs systmes de rgulation de vitesse pour la turbine, on va sintresser pour

notre part aux systmes les plus couramment utiliss savoir [1]:

Le systme pitch ou pas de calage variable Le systme stall ou dcrochage arodynamique Le systme stall actif

2.6.1 Le systme pitch La caractristique C p () est directement lie larodynamisme des pales. La Figure ci- dessous nous montre lvolution de la caractristique dune olienne en fonction de . Plus langle de calage sera important, moins la turbine captera lnergie cintique du vent. Les

pales sont face au vent pour des vents faibles afin den extraire le maximum de puissance puis

lorsque le vent nominal vn est atteint, elles sinclinent pour atteindre la position drapeau

la vitesse de vent maximale.

Le systme pitch a pour avantage de permettre un contrle actif de la puissance

sous une large gamme de vitesse du vent [20]. Langle de calage des pales peut tre dtermin

afin doptimiser la conversion dnergie quand le vent volue entre vd et vn, le contrle de

langle de calage permet galement de rguler la vitesse lorsque v > vn et le dmarrage

vitesse de vent faible est facilit par le changement de langle de calage.

Figure 2-9 : Influence de l'angle de calage sur le coefficient de couple [19]


34

2.6.2 Le systme stall ou dcrochage arodynamique

Le systme de limitation de vitesse le plus simple, le plus robuste et le moins

coteux est un systme de limitation naturelle (intrinsque la forme de la pale) dit "stall"

[21], il est bas sur le phnomne de dcrochage arodynamique, les pales sont conues avec

un profil, qui permet dobtenir une dcroissance brusque de la portance partir dune vitesse

donne pour laquelle la puissance doit tre diminue.

Les oliennes munies du systme stall gnrent une puissance lectrique variable dont la

valeur maximale correspond la puissance nominale de la machine. En dessous de cette

valeur, la puissance fournie crot avec la vitesse du vent. Au-del, la puissance fournie dcrot

avec la vitesse du vent.

Figure.2.10 : Caractristique d'une olienne vitesse fixe avec dcrochage arodynamique [19]

Ce system est simple, relativement fiable, robuste et moins coteux cependant il a

faible rendement faibles vitesses du vent, de plus la puissance active nest pas contrlable

[1], [21], [6].

2.6.3 Le systme stall actif Le systme stall actif est la combinaison des deux systmes dcrits prcdemment, il

est utilis pour les machines de trs forte puissance. Le dcrochage arodynamique est obtenu

progressivement grce un dispositif permettant un dbattement des pales contre le vent.

Lorientation des ples tant trs rduite, le dispositif mcanique est technologiquement plus

simple et moins coteux.

Puissance lectrique en (kW)

V0 vitesse du vent en (m/s) Vn


35

2.7 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons dtaill la partie mcanique de la turbine olienne, nous

avons aussi modlis lensemble mcanique y compris le multiplicateur, permettant

linterconnexion avec la gnratrice qui aura le couple comme entre et la vitesse comme

sortie, nous avons vu que cette partie mcanique est un lment trs important dans les

systmes de conversion oliens

Dans le chapitre suivant, nous allons tudier la machine asynchrone double alimentation

et nous prsenterons ses avantages, son model afin de pouvoir lutiliser dans la modlisation

du systme global.

Chapitre 3 : Etude et Modlisation de la MADA

36

Chapitre 3

Etude et Modlisation de la machine asynchrone

double alimentation (MADA)


37

3. Etude et Modlisation de la machine asynchrone double alimentation.

3.1 Introduction

Actuellement ,la majorit des projets oliens suprieurs 1MW reposent sur lutilisation

de la machine asynchrone pilote par le rotor .son circuit statorique est connect directement au

rseau lectrique .un second circuit plac au rotor est galement reli au rseau mais par

lintermdiaire de convertisseurs de puissance .tant donn que la puissance rotorique transite

moindre ,le cot des convertisseurs sen trouve rduit en comparaison avec une olienne

vitesse variable alimente au stator par des convertisseurs de puissance ;une seconde raison est

la possibilit de rgler la tension au point de connexion o est injecte cette gnratrice. Dans le

premier chapitre, nous avons prsent les diffrentes configurations utilisant la machine

asynchrone double alimentation. Diverses applications de la MADA sont alors devenues

possibles dont lintrt rside principalement dans les possibilits de contrle du flux

des puissances pour les rgimes caractristiques hypo et hyper synchrones, cela tant

aussi bien dans les fonctionnements moteur que gnrateur. Dans ce contexte, la thorie

de lorientation du flux, apparue dans le dbut des annes 70 , applique la MADA

avec succs a donn lieu un outil puissant pour son contrle .

Partant de ce constat, nous avons dcid d'utiliser la machine asynchrone double

alimentation (MADA) comme alternative la machine cage. Mme si la prsence de

contacts glissants et d'un bobinage rotorique la rend moins robuste, la prsence d'un

convertisseur entre le rotor et le rseau permet de contrler le transfert de puissance entre le

stator et le rseau. De plus, si la plage de variation de vitesse est limite 30% autour du

synchronisme, le convertisseur doit alors tre dimensionn pour seulement 30 % de la

puissance nominale de la machine. L'nergie lectrique peut non seulement tre produite du

stator vers le rseau mais galement, pour les vitesses suprieures au synchronisme, du rotor

vers le rseau [1], [4], [20], [21].

Dans ce chapitre nous allons prsenter ltude de la machine asynchrone double

alimentation en introduisant des gnralits sur la MADA ainsi que ses modes de

fonctionnement et on le conclut par sa modlisation.


38

3.2 Structure de la machine :

La machine asynchrone double alimentation prsente un stator analogue celui des

machines triphases classiques (asynchrone cage ou synchrone) constitu le plus souvent de

tles magntiques empiles munies d'encoches dans lesquelles viennent s'insrer les

enroulements. L'originalit de cette machine provient du fait que le rotor n'est plus une cage

d'cureuil coule dans les encoches d'un empilement de tles mais il est constitu de trois

bobinages connects en toile dont les extrmits sont relies des bagues conductrices sur

lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne (Figure 2-1).

En fonctionnement moteur, le premier intrt de la machine asynchrone rotor

bobin a t de pouvoir modifier les caractristiques du bobinage rotorique de la machine,

notamment en y connectant des rhostats afin de limiter le courant et d'augmenter le couple

durant le dmarrage, ainsi que de pouvoir augmenter la plage de variation de la vitesse. Plutt

que de dissiper l'nergie rotorique dans des rsistances, l'adjonction d'un convertisseur entre le

bobinage rotorique et le rseau permet de renvoyer cette nergie sur le rseau (nergie qui est

normalement dissipe par effet joule dans les barres si la machine est cage). Le rendement

de la machine est ainsi amlior. C'est le principe de la cascade hyposynchrone.

La machine asynchrone double alimentation est aussi couramment appele machine

gnralis car sa structure permet de considrer son comportement physique de faon

analogue une machine synchrone la diffrence prs que le rotor n'est plus une roue polaire

alimente en courant continu ou un aimant permanent mais il est constitu d'un bobinage

Figure 3.1 : - principe du rotor bobin [4]


39

triphas aliment en alternatif. Ce fonctionnement peut tre ventuellement rsum par le

terme de : "machine synchrone excitation alternative"[3], [21].

3.3 Application des machines asynchrones double alimentation

La premire application importante de la MADA est le fonctionnement moteur sur

une grande plage de variation de la vitesse. Dans les machines synchrones classiques et

asynchrones cage d'cureuil, la vitesse de rotation est directement dpendante de la

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Bouaraki Mouloud