Département : Électromécanique MÉMOIREbiblio.univ-annaba.dz/ingeniorat/wp-content/uploads/2018/03/Ziraoui... · machine synchrone, comportant un premier dispositif alternatif/continu

وزارة التعليم العالي و البحث العلمي

Année : 2017

Faculté : Sciences de L’Ingéniorat

Département : Électromécanique

MÉMOIRE

Présenté en vue de l’obtention du diplôme de: MASTER

EEeeeee

Domaine: Sciences et Technologie

Filière: Electromécanique

Spécialité: Electromécanique

Par: Ziraoui Salah Eddine

DEVANT LE JURY

Président : Pr SAAD.S U.B.M. Annaba

Directeur de mémoire :

Mr Rachdi.F U.BM. Annaba

Examinateur : Mr

Chegibe.H U.B.M. Annaba

Examinateur : Mr

Moussaoui.A U.B.M. Annaba

Modélisation et étude d’un système d’énergie éolienne relié au réseau

BADJI MOKHTAR- ANNABA UNIVERSITY عنابةةة- جامعـــــةةةـ باجــــةةةـي مرتــةةةـار

UNIVERSITÉ BADJI MOKHTAR- ANNABA

Remerciement

Je remercie dieu tout puissant pour la volonté, la santé et la patience qu’il

m’a accordé durant toutes ces langues année d’études qui m’ont permis

d’arriver là ou je suis .

Je remercie également Mr RACHDI.F d’avoir accepté de m’encadrer et de

m’aider durant l’élaboration de mon modeste projet.

Je tiens à remercier aussi Mr FARAH.L et mon collègue MEBAREK.A

pour leur aide dans l’outille Mathlab.

Enfin, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance et ma gratitude à

toutes les personnes qui m’ont aidé et encouragés dans les moments

pénibles et qui m’ont donnée la force et la volonté de continuer et réaliser

ce modeste travail.

Je DEDIER ce modeste travail :

Au personne les plus cher de ma vie, ma mère et mon père pour, leur

dévouement et tout ou long de mes études, sachant que je ne les

remercierais jamais assez.

A mes chères sueurs et mon petit frère ZINOU.

Ainsi que tous mes amis que j’ai rencontrés tout au long de ma vie.

Résumé : Dans ce mémoire nous abordant le potentiel national de l’énergie éolienne et les

différentes structures utilisé dans le système éolien ; notre étude est basée sur une Génératrice

Synchrone à Aimant Permanant (PMSG) débitant dans le réseau de puissance à travers une chaîne

complète de convertisseurs statiques. Pour cela, nous proposons un schéma de commande de la

machine synchrone, comportant un premier dispositif alternatif/continu suivi d’un second dispositif

continu/alternatif. Le principe MPPT (Maximum Power Point Tracking, ‘MPPT’) repose sur la

variation de vitesse de la turbine suivant celle du vent en cas de raccordement indirect de la

génératrice avec le réseau. Ainsi la commande convenable de la machine, l’onduleur MLI et le

couplage avec le réseau ; afin d’aboutir à une tension et fréquences cohérente. Les simulations sur

Matlab-Simulink, présentées en fin de memoir, confirment une bonne adéquation du schéma de

commande, du choix des paramètres de réglage ainsi que l’architecture de la chaîne de conversion

aux objectifs assignés.

(PMSG) ; relier au réseau ; MPPT ; MLI ; Matlab-Simulink

Abstract: In this paper we discuss the national potential of wind energy and the different structures

used in the wind system; our study is based on a Permanent Magnet Synchronous Generator

(PMSG) connected to the power network through a complete chain of static converters. For this

purpose, we propose a control structure for the synchronous machine, comprising a first AC / DC

device followed by a second DC / AC device. The MPPT (Maximum Power Point Tracking,

MPPT) principle is based on the speed variation of the turbine following that of the wind in case of

disconnection of the generator with the network. Although the proper control of the machine, the

MLI inverter and the coupling with the network; in order to achieve a coherent voltage and

frequency. The simulations on Matlab-Simulink, presented at the end of the study, confirm a good

fit of the control structure, the choice of the parameters of adjustment and the architecture of the

conversion chain to the assigned objectives.

(PMSG); power network; MPPT; MLI; Matlab-simulink

هياكلومختلف ال ن طريق الريحالكهربائية ع طاقةالنتاج ال الوطنية القدرةنبحث الدراسة هذه يف تلريص

ويستند الثابتة المحوالت من كاملة سلسلة خالل من الكهربائية الطاقة شبكةفي تصب التيفي االنتاج المستخدمة

للجهاز السيطرة ططمخ نقترح الغرض، لهذا. متزامن مولد الدائم المغناطيسعلى دراستنا جهاز أول متزامن

جهاز تاله ويستند. الثاني MPPT ( القوة تتبع األقصى الحد MPPT) توربينات سرعة اختالف على المبدأ حيث من

العاكس الجهاز السليمة الرقابة فإن وهكذا. الشبكة مع المولد من مباشر غير اتصال حالة في ذلك وبعد الرياح

PWM مطلب هي المحاكاة. والتردد متماسك الجهد تحقيق إنجاز أجل من لشبكة؛ا مع واقتران -SIMULINK

التحويل لسلسلةا والهندسة للتكيف المعلمات واختيار السيطرة، مخطط من مناسبا تأكد المقال، نهاية في قدمت

المعين الهدف إلى

) ;MPPT القوة تتبع األقصى الحد Matlab-simulink )م م م د شبك الطاق

Sommaire

Introduction générale

Liste des figures

Liste des tableaux

Chapitre I: Situation-Etat de L’art et Choix de Génératrice

I.1 Introduction ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

I.2 Production mondiale d'électricité éolienne ........................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.3 Energie éolienne en Algérie .......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.3.1 Gisement éolien en Algérie ................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.3.2 Carte des vents en Algérie..................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.3.3 Capacité de production de l’énergie éolienne installée en Algérie ...... Erreur ! Signet non défini.

I.4 Principe de fonctionnement de l’éolienne : ............................................................ Erreur ! Signet non défini.

I.5 Avantages et inconvénient de l’énergie éolienne ................................................ Erreur ! Signet non défini.

I .5.1 Les avantages ............................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

I.5.2 Les inconvenient ....................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.6 Type des turbines éoliennes : ..................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.6.1 Eolienne à axe vertical ............................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

I.6.2 Éoliennes à axe horizontal .................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.6.3 Comparaison............................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.7 Constitution d’une éolienne .......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.8 L’action du vent sur une éolienne a axe horizontal ........................................... Erreur ! Signet non défini.

I.9 Rendement énergétique d'une éolienne ................................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.10 Les éoliennes connectées au réseau électrique ................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.11 Eoliennes à vitesse fixe et variable ......................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.11.1 Eolienne à vitesse fixe .......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.11.2 Eolienne à vitesse variable................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.12 Les configurations des Systèmes de conversion d’énergie éolienne ........ Erreur ! Signet non défini.

I.12.1 Système à vitesse fixe – Machine asynchrone à cage : structure MAS ............ Erreur ! Signet non

défini.

I.12.2 Système à vitesse variable ................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.12.2.1 Machine asynchrone à rotor bobiné: structure MASRe [12] [13] ............ Erreur ! Signet non

défini.

I.12.2.2Machine asynchrone à double alimentation: structure MADA .... Erreur ! Signet non défini.

I.12.2.3 Machine synchrone à aimants permanents- structure MSAP ..... Erreur ! Signet non défini.

I.13 La génératrice a aiment permanant ....................................................................... Erreur ! Signet non défini.

I.13.1 Avantages de la machine synchrone à aimants permanents ............... Erreur ! Signet non défini.

I.13.2 Conclusion du premier chapitre ...................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Chapitre II : Modélisation la chaine de conversion éolienne Chapitre ...................................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2 MODELISATION DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE ................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.1 Modélisation physique de la Turbine Eolienne .......................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.2 La Génératrice synchrone a aimant permanant ......................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.2.1 L’architecture de la GSAP : .......................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.2.2 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents .. Erreur ! Signet non défini.

II.2.2.3 Hypothèse simplificatrice ........................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.2.4 La Mise en equation de la MSAP ............................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.3 Redresseur à diodes ............................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.3.1 Définition ........................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.3.2 Structure du redresseur : ............................................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.3.3 Etude de la tension de charge .......................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.3.4 Etude des courants : ...................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.4 Hacheur buck ............................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.4.1 Fonctionnement : ............................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.4.2 Modèle mathématique équivalent : ........................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.5 Condensateur de stockage : ........................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.6 Hacheur boost : ................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

II.2.6.1 Fonctionnement : ............................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.6.2 Modèle mathématique équivalent : ........................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.8 Modélisation de l’onduleur ................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

II.2.9 Modélisation du filtre ............................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

II.2.10 Modèle du transformateur ............................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Chapitre III : Contrôle de la chaine de conversion éolienne

III .1 Introduction .................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.2 SCHEMA DU MONTAGE DE PUISSANCE : ........................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.3 la commande MPPT ...................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.3.1 Stratégie MPPT avec connaissance de courbe caractéristique ........... Erreur ! Signet non défini.

III.3.2 Commande en vitesse .......................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.3.3 Commande en couple : ........................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

III.4.1 Commande vectoriel de la GSAP .......................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.4 Synthèse des correcteurs............................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

III.5 L’onduleur MLI................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

III.6 Contrôle de la connexion au réseau ....................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.6.1 Mode de Synchronisation ................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

III.6.2 Contrôle des courants par la commande du convertisseur de puissance ..... Erreur ! Signet non

défini.

III.6.2.1 Contrôle des courants envoyés au réseau : ............................................. Erreur ! Signet non défini.

III.6.2.2 Régulation des puissances : ........................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Conclusion : ........................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

CHAPITRE IV: Simulation de la chaine de conversion éolienne I .1 Introduction ....................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Résultats de la simulation : ................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.2 Interprétations :................................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

I.3 Conclusion ............................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.

LISTE DES FIGURES

Figure (I.1) : Carte annuelle des vents à 10 m du sol pour les 87 points de mesure (m/s) 05

Figure (I.2) : Photo de la première éolienne installée en Algérie 05

Figure (I.3) : La ferme éolienne à Adrar 06

Figure (I.4) : Prévision de développement des énergies renouvelables en Algérie 07

Figure (I.5) : Eolienne a axe vertical 09

Figure (1.6) : éolienne a axe horizontal 09

Figure (1.7) : composants d’une éolienne 11

Figure (I.8) : Tube de courant autour d'une éolienne 13

Figure (I.9) : Coefficient de puissance CP (λ) pour différents types des turbines 14

Figure (I.10) : chaine de conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique 16

Figure (I.11) : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse fixe 17

Figure (I.12) : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine

asynchrone à résistance rotorique variable MASRe 18

Figure (I.13) : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine

asynchrone à double alimentation MADA 19

Figure (I.14) : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine synchrone à

aimants permanents MSAP 20

Figure (I.15) : architecture à base de convertisseur de puissance a plein capacité 21

Figure (II.1) : Schéma conventionnel de la chaine de conversion éolienne 23

Figure (II.2) : courbe Cp du modèle de Simulink 26

Figure (II.3) : modèle dynamique de l'éolienne 26

Figure (1I.4) : Quelques configurations du placement des aimants 27

Figure (II.5) : a- machine asynchrone _ b- machine a aimant permanent

Figure (II.6) : schéma représentatif de la MSAP à modéliser 29

Figure(II.7) : Transformation triphasée- diphasée 30

Figure(II.8) : Schéma électrique D’un redresseur triphasé non commandé 33

Figure (II.9) : Schéma électrique d'un hacheur buck 35

Figure (II.10) : Chronogrammes de courant et tension d'un hacheur buck 35

Figure (II.11) : Schéma électrique d'un hacheur buck fermé 36

Figure(II.12) : Schéma électrique d'un hacheur buck ouvert 36

Figure(II.13) : Schéma électrique du bus continu 37

Figure (II.14) : Schéma électrique d'un hacheur boost 38

Figure (II.15) : Chronogrammes de courant et tension d'un hacheur boost 38

Figure (II.16) : Schéma électrique d'un hacheur boost fermé 38

Figure (II.17) : Schéma électrique d'un hacheur boost ouvert 39

Figure (II.18) : Schéma électrique du filtre passif 42

Figure (II.19) : Schéma équivalent du transformateur ramené au primaire 43

Figure (II.20) : Schéma équivalent du transformateur ramené au primaire) 43

Figure (III.1) : courbe de puissance d'une éolienne pour différents vitesses de vent 46

Figure (III.2) : gauche: famille de courbe du couple pour différents vitesse de

Vent - droite: courbe du couple maximal 48

Figure (III.3) : couple de référence en fonction de la vitesse de rotation 49

Figure (III.4) : convergence vers le point optimal – contrôle en couple 49

Figure (III.5) : boucle de régulation des courants 52

Figure (III.6) : Stratégie de commande en couple de la GSAP 52

Figure (III.7) : Schéma complet de commande vectorielle de GSAP associé au convertisseur 53

Figure (III.8) : Le schéma global d’un onduleur à MLI 54

Figure (III.9) : les ondes de tension d’un onduleur MLI triphasé 55

Figure (III.10) : REM du système de commande du convertisseur du côté réseau 56

Figure (III.11) : Schéma du découplage entre les courants transités au réseau 58

Figure (IV.1) : Courbes de puissance en fonction de la vitesse du vent 61

Figure (IV.2) : Distribution de Weibull 62

Figure (IV.3) : model Simulink de la chaine de conversion 63

Figure (IV.4) : Profil du vent appliqué 64

Figure (IV.5) : Courbe de Coefficient de puissance CP (λ) 64

Figure (IV.6) : Variation de la vitesse spécifique (TSR) 65

Figure (IV.7) : Allure des courants issus de la génératrice 65

Figure(IV.8) : Zoom sur les courants issus de la génératrice 66

Figure (IV.9) : Zoom sur les tensions issues de la génératrice 66

Figure (IV.10) : Tension du bus continu 67

Figure (IV.11) : Zoom sur la tension du bus continu 67

Figure (VI.12) : Zoom sur les tensions envoyées au réseau 68

Liste des tableaux

Tableau I.1 : Puissance éolienne installée dans le monde de 2001 à la fin de 2013 (en MW) …(4)

Tableau 1.2 : les catégories des éoliennes selon leur puissance………………………………….(10)

Tableau 1.3 : Comparaison des éoliennes a axe horizontales et a axe vertical…………………..(10)

Tableau I.5: Comparaison des éoliennes a vitesse fixe et a vitesse variable…………………….(16)


1

L’énergie éolienne est une source d’énergie utilisée depuis des siècles. Dans un premier temps, cette

énergie n’a été exploitée que dans les domaines mécaniques. L'exemple le plus connu est le moulin

à vent utilisé par le meunier pour la transformation du blé en farine. On peut citer les nombreux

moulins à vent servant à l'assèchement des polders en Hollande [1]. Par la suite, ce type d'énergie a

servi à produire l’électricité. Au 16ème siècle, elle a été utilisée pour pomper de l’eau et couper le

bois [2].

C’est en 1891 que le danois Paul La Cour construisit pour la première fois une turbine à vent

générant de l’électricité [3]. A la suite de la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs

danois améliorèrent cette technologie durant les1ère et 2ème guerres mondiales pour faire face à la

pénurie d’énergie électrique. Malgré certains succès technologiques obtenus à cette époque, l’intérêt

pour l’exploitation de l’énergie éolienne à grande échelle déclina à la fin de la 2ème guerre

mondiale. C’est principalement la crise pétrolière de 1974 qui a relancé les études et les expériences

sur les éoliennes.

Depuis les années 1990, l'amélioration de la technologie des éoliennes a permis de construire des

aérogénérateurs de plus de 5 MW et le développement d'éoliennes de 10 MW est en cours.

Actuellement les aérogénérateurs produisent une faible quantité d’électricité mondiale selon les

sites, mais le taux de croissance est élevé et 10 % de l’énergie électrique pourraient être d’origine

éolienne vers 2020

L’épuisement et la flambé des prix des énergies conventionnelles et leurs impact nocif sur

l’environnement a conduit les chercheur a s’orienté vers une nouvelle source d’énergie moins

polluante et inépuisable notamment les énergies renouvelables et en particulier les éolienne.

Dans notre pays, les énergies renouvelables à leur tête l’énergie éolienne accusent un retard

considérable par rapport aux autres nations voisines. Les études qui se font dans le domaine de

l’éolien se comptent sur les bouts des doigts.

Le but de ce travail est d’apporter une contribution à l’étude de systèmes de commande d’une

éolienne relié au réseau ; pour ce faire notre choix s’est porté sur une éolienne à vitesse variable

basée sur une génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP).

Ce choix est justifié par l’intérêt que la recherche consacre à ce type de structures vu qu’elles sont

décrites comme étant les éoliennes de l’avenir. En effet le développement actuel dans le domaine

des matériaux magnétiques a fait que l’inconvénient majeur de ces structures à savoir le prix des

aimants permanents ne soit plus un obstacle pour construire des éoliennes gigantesques à base de

génératrice synchrone à aimants permanents(GSAP), un objectif qui, des années avant, était

impossible vu l’énorme prix des aimants permanents.

Grâce au développement très rapide de l’électronique de puissance, offrant à la fois, une grande

capacité, et une bonne qualité de puissance, avec le moindre coût; le domaine de l’énergie éolienne

a connu une large utilisation des convertisseurs de puissance. L’utilisation des convertisseurs de

puissance dans le système de conversion d’énergie éolienne permet, non seulement, d’obtenir la

forme souhaitée de l’énergie électrique, mais aussi d’optimiser la puissance prélevée [4]. Plusieurs


2

structures de conversion de l’énergie électrique fournie par la génératrice éolienne à vitesses

variables peuvent être utilisées dans le but d’avoir une tension de fréquence et amplitude constants

du coté réseau. Pour cela notre mémoire est partagé comme suit :

Dans le CHAPITRE I, on présentera brièvement l’état de croissance de l’exploitation de l’énergie

éolienne, dans le monde et surtout en Algérie. Puis les différents types des éoliennes et des

génératrices utilisées leur constitution, et les éléments principaux dans la chaine de conversion

électromécanique qui vont être modélisés pour donner au mieux représentation permettant la

simulation du système. Nous dresserons une étude de l’art de la MSAP à travers une présentation de

la topologie, un bilan de ces avantages et inconvénient. Ensuit le choix basé sur la GSAP est justifié

et enfin une conclusion englobant l’état de l’art des éolienne.

Dans le CHAPITRE II ,on proposera une chaine de conversion éolienne très récente, elle est jugée

efficace point de vue extraction de l’énergie électrique et son acheminement vers le convertisseur

coté réseau, une malléabilité de contrôle car elle est riche en électronique de puissance avec des

multiple convertisseurs qui sert à contrôler le courant venant du générateur jusqu’à son arriver au

réseau de distribution; puis une modélisation de chaque élément de cette chaine va être donner afin

de permettre à aboutir à une commande convenable pour la GSAP.

Pour fonctionner, cette conversion a besoin des algorithmes de commande permettant au système

d'avoir une bonne gestion. Il faut donc mettre des lois de commande pour piloter l'énergie entre les

différents éléments de ce système.

Dans le CHAPITRE III, nous aborderons les algorithmes de capture de puissance maximale MPPT

(Maximum Power Point Tracking). Nous discuterons les algorithmes nécessitant une connaissance

préalable de la courbe caractéristique de l’éolienne ; la commande vectorielle de la MSAP, la

commande MLI pour l’onduleur ainsi le contrôle de la connexion au réseau.

Dans le CHAPITRE IV, Nous présenterons le modèle SIMULINK de notre chaine de conversion

d’énergie électrique ainsi qu’une explication détaille de chaque module. Puis on présentera les

différents résultats obtenus par cette simulation en plus d’une discussion de ces résultats Les

simulations sur Matlab-Simulink, présentées en fin de travaille, confirment une bonne adéquation

du schéma de commande, du choix des paramètres de réglage ainsi que l’architecture de la chaîne

de conversion aux objectifs assignés. Conclusion finalisons et justifiant le choix portés sur ce

système.

Pour terminer ce modeste travail une conclusion générale ainsi qu’une perspective serons exposés.

Situation-état de l’art et choix de génératrice

CHAPITRE I

Situation-Etat de L’art et Choix de Génératrice


3

Chapitre I: Situation-Etat de L’art et Choix de Génératrice

I.1 Introduction

Face à la flambée des prix du pétrole et l’épuisement, à plus ou moins long terme, des sources

d’énergies fossiles, différentes solutions de substitution ont été envisagées. Le début du 21ème

siècle a été marqué par une ruée spectaculaire vers les énergies renouvelables. L’ultime objectif est

de s’affranchir de la dépendance vis-à-vis des sources conventionnelles d’énergies.

Récemment, cette tendance a été accrue, d’autant plus, par des considérations d’ordre écologique.

En effet, la consommation élevée des sources énergétiques fossiles traditionnelles cause de sérieux

dommages environnementaux. Aussi, tous les pays sont appelés aujourd’hui à contribuer à l'effort

international de lutte contre les changements climatiques.

L’énergie éolienne est connue et exploitée depuis longtemps. Elle fut l’une des premières sources

exploitées par l’homme après l’énergie du bois. Sur le fleuve du Nil, cette énergie a été utilisée pour

faire avancer les bateaux à voile, en Chine comme au Moyen-Orient pour le pompage d’eau et

l’irrigation, en Iran et en Afghanistan dans le broyage des céréales [5].Pendant plusieurs décennies,

l'énergie éolienne a servi à produire de l'énergie électrique. Selon l’Observatoire des Energies

Renouvelables, l’éolien est actuellement la filière énergétique des plus dynamiques dans le monde.

Suite à la crise pétrolière mondiale des années 70, le développement et la commercialisation des

turbines éoliennes ont été fortement encouragés. Depuis lors, l'exploitation des ressources éoliennes

est de plus en plus performante et l'industrie éolienne a connu un essor considérable lors de la

dernière décennie. Les turbines éoliennes sont de plus en plus puissantes. Le rendement et la

disponibilité augmentent et les parcs éoliens sont de plus en plus grands [6].Pour utiliser le vent

comme source d’énergie, il faut connaitre le potentiel éolien d’une région. Mais, pour déterminer ce

potentiel il faut passer par le traitement statistique des mesures de la vitesse du vent. Toutefois, une

bonne connaissance des caractéristiques du vent en tout site est importante pour une exploitation

adéquate des ressources éoliennes. En ce qui concerne l’Algérie, la ressource éolienne varie

beaucoup d’un endroit à un autre, ceci est dû à une topographie et un climat très diversifiés.

Dans ce chapitre, on s’intéresse essentiellement aux éoliennes à vitesse variable et à axe horizontal

avec leurs constitutions et leurs principes de fonctionnement, ainsi qu’aux différents types de

générateurs utilisés dans cette chaîne de conversion.

I.2 Production mondiale d'électricité éolienne

En cinq ans, la puissance éolienne installée a été multipliée par trois dans le monde, passant de 121

GW à 319 GW. La capacité éolienne a augmenté de 197 GW de 2008 à 2013 alors que la capacité

nucléaire n'a pas augmenté (371,5 GW fin 2008 et 371,7 GW fin 2013). Les pays précurseurs dans

le monde ont été le Danemark, l'Allemagne et l'Espagne. Récemment, la Chine et les États-Unis

sont devenus les pays possédant la plus grande capacité éolienne installée, précédant l'Allemagne et

l'Espagne qui restent cependant les pays disposant de la plus grande puissance éolienne par habitant

avec le Danemark.


4

Tableau I.1 : Puissance éolienne installée dans le monde de 2001 à la fin de 2013 (en MW)

I.3 Energie éolienne en Algérie

I.3.1 Gisement éolien en Algérie

Selon quelques évaluations, plus de cinq millions d'algériens ne sont pas raccordés au réseau

d'électricité, alors que beaucoup de communautés rurales ont besoin d'eau potable et d'eau pour

irrigation. Ces besoins ruraux représentent un marché potentiel pour des technologies d'énergie

renouvelable.

L’Algérie s’engage avec détermination sur la voie des énergies renouvelables afin d’apporter des

solutions globales et durables aux défis environnementaux et aux problématiques de préservation

des ressources énergétiques d’origine fossile. Ce choix stratégique est motivé par l’immense

potentiel en énergie solaire. Cette énergie constitue l’axe majeur du programme qui consacre au

solaire thermique et au solaire photovoltaïque une part essentielle. Le solaire devrait atteindre d’ici

2030 plus de 37 % de la production nationale d’électricité. Malgré un potentiel assez faible, le

programme n’exclut pas l’éolien qui constitue le second axe de développement et dont la part

devrait avoisiner les 3 % de la production d’électricité en 2030. Actuellement, l’intérêt sur l’énergie

éolienne en Algérie a connu une certaine croissance et de nombreuses études ont été réalisées sur le

potentiel éolien depuis 1984 avec les travaux de Saïd et al. Suivis par les travaux de Bensaâd, 1985,

Hammouche, 1990, Kasbadji Merzouk, 2000 et 2006, Youcef Ettoumi, 2002, et Chellali, 2011

I.3.2 Carte des vents en Algérie

L’estimation de l’énergie éolienne disponible dans une région donnée reste l’une des étapes les plus

importantes avant une éventuelle implantation d’un parc éolien. Pour cela, il faut d’abord quantifier

le gisement énergétique disponible par l’établissement de l’atlas éolien de la région. On peut citer

quelques travaux effectués pour tracer l'Atlas du vent en Algérie. En 2000, la carte des vents a été

tracée par Kasbadji-Marzouk en utilisant les données répertoriées en 1990 par Hammouch . En


5

2011, Chellali et al. Ont contribué à l’actualisation de la carte des vents en utilisant 37 points de

mesure à travers le pays [8]

Figure I.1 : Carte annuelle des vents à 10 m du sol pour les 87 points de mesure (m/s)

Selon la cartographie représentée à la figure I., le gisement éolien en Algérie est très diversifié. Il

varie d’une zone à une autre, mais on peut dire que le meilleur potentiel d'énergie éolienne est dans

le sud du pays et particulièrement dans la région du sud-ouest où la vitesse du vent est plus grande

que 6 m/s.

I.3.3 Capacité de production de l’énergie éolienne installée en Algérie

La première éolienne qui a été installée en Algérie revient à la période de la colonisation française,

en 1953 par «le Service de la Colonisation et de l’Hydraulique» relevant des militaires, qui

contrôlaient les territoires du sud algérien. Actuellement, elle existe à l’intérieur de la station de

l’Institut National de Recherche Agronomique (INRA) d’Adrar. Constitué d’un mat de 24 m

surmonté d’une hélice à trois pales d’un diamètre de 15 m.

Figure I.2: Photo de la première éolienne installée en Algérie

Jusqu'à maintenant, la puissance extraite à partir des énergies renouvelables installée en Algérie est

insignifiante, au mois par rapport à ses voisins (le Maroc et la Tunisie). L'énergie constitue l’axe


6

majeur du programme qui consacre au solaire thermique et au solaire photovoltaïque une part

essentielle. Le programme est lancé à la fin de l’année 2011 et supposé générer 22 GW en 2030.

Malgré un potentiel assez faible, le programme n’exclut pas l’éolien qui constitue le second axe de

développement et dont la part devrait avoisiner les 3% (1,7 GW) de la production d’électricité en

2030.

Il est clair donc que l’énergie éolienne constitue un second axe de développement des énergies

renouvelables en Algérie, (après le solaire). Dans ce cadre, la wilaya d’Adrar a bénéficié, à la faveur

d’un partenariat algéro-français, d’un projet de ferme de 12 éoliennes de 850 kW chacune, localisée

dans la zone de Kabertene (80 km au nord d’Adrar). Les éoliennes fournies par l’Espagnol Gamesa

délivrent leurs 10 MW de puissance à la vitesse de 8 m/s du vent. Ces éoliennes sont connectées au

réseau de transport. Par ailleurs, des études seront menées pour identifier les emplacements

favorables afin de réaliser d’autres projets sur la période 2016-2020. À cet effet, ce programme

consiste en l’acquisition de 10 stations de mesure météorologique.

Figure I.3 : La ferme éolienne à Adrar

Globalement, l’objectif de la première phase de programme est de parvenir à un taux d’intégration

de 50%. Ce taux devrait être supérieur à 80% sur la période 2021-2030, grâce à l’extension des

capacités de fabrication des mâts et des rotors d’éoliennes et le développement d’un réseau de sous-

traitance nationale pour la fabrication des équipements de la nacelle


7

Figure I.4: Prévision de développement des énergies renouvelables en Algérie

I.4 Principe de fonctionnement de l’éolienne :

Sous l’effet du vent, l’hélice se met en marche, ses pales tournent. Le rotor (hélice) est situé au bout

d’un mât car les vents soufflent plus fort en hauteur, le mât varie entre 10 et 100 m de hauteur. Le

rotor comporte souvent 3 pales, mesurant entre 5 et 90 m de diamètre. Pour faire tourner l’hélice, il

faut une vitesse minimale d’environ 10 à 15 km/h. Pour des raisons de sécurité, l’éolienne s’arrête

automatiquement de fonctionner quand le vent dépasse 90 km/h. La vitesse optimale est de 50

km/h. L’hélice entraîne un axe dans la nacelle relié à un alternateur. Grâce à l’énergie fournie par la

rotation de l’axe, l’alternateur produit un courant électrique alternatif.

I.5 Avantages et inconvénient de l’énergie éolienne

I .5.1 Les avantages

L’énergie éolienne est une énergie propre et renouvelable qui ne produit ni pollution, ni déchets. De

plus, elle rembourse sa dette énergétique, c’est-à-dire l’énergie nécessaire à sa fabrication, en

quelques mois. Elle permet le maintien de la biodiversité des milieux naturels

les activités agricoles et industrielles peuvent continuer autour d’un parc éolien

un parc éolien prend peu de temps à construire

l’énergie éolienne est abondante: le vent est inépuisable. Il constitue donc une véritable

ressource renouvelable;

l’industrie éolienne présente un potentiel important en termes d’emplois au niveau de la

fabrication et de l’installation;


8

L’énergie éolienne est une énergie propre. Elle n’a aucun impact néfaste sur

l’environnement comme les autres sources d’énergie qui ont causé un changement radical

du climat par la production énorme et directe du CO2.

L’énergie éolienne ne présente aucun risque et ne produit évidemment pas de déchets

radioactifs contrairement à l’énergie nucléaire.

Au-delà de la donne économique et environnementale, l’énergie éolienne suscite un intérêt

particulier car elle peut favoriser la diversification et l’indépendance énergétique d’un pays.

I.5.2 Les inconvenient

Le vent est une source intermittente, la production d'énergie est donc variable;

L'installation d'une éolienne nécessite différents critères (vents fréquents, surface suffisante,

pas d'obstacles au vent, accès facile, proximité du réseau électrique, pas de contraintes

environnementales tels que les monuments historiques, site éloigné des habitations, avoir les

autorisations réglementaires);

Même si la surface utilisée au sol est faible, il faut disposer de 10 Ha afin d'installer un site

éolien qui soit significatif. En effet, l'écart réglementaire entre les éoliennes est de 200m

minimum;

La pollution visuelle et sonore, et la perturbation des ondes électromagnétiques (télévision,

radio, portable) sont des obstacles à l'installation chez les particuliers et cela oblige une

installation des éoliennes éloignée des habitations;

Le coût de production alourdit tout de même le prix total de l'éolienne;

Bien que cette énergie soit propre, le coût énergétique de fabrication est très important;

Bien que les éoliennes offshore soient un important atout, l'installation des éoliennes doit se

faire relativement proche des côtes (10 km environ) du fait de la perdition d'énergie dans les

conduits électriques.

Aujourd’hui, du fait du développement important et toujours croissant en termes de

puissance installée des parcs éoliens, ces derniers sont assujettis à des exigences techniques

de plus en plus sévères imposées par des règles de raccordement aux réseaux définies à

l’initiative des gestionnaires de réseaux.

I.6 Type des turbines éoliennes :

I.6.1 Eolienne à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire de

l'électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal.

Elles possèdent l'avantage d'avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc

facilement accessibles. De nombreuses variantes ont été testées depuis les années 1920 avec un

certain succès. Ces genres d'éoliennes ne sont quasiment plus utilisés, puisque les contraintes

mécaniques au niveau du sol occupent plus d'espace.


9

Figure I.5 : Eolienne a axe vertical

I.6.2 Éoliennes à axe horizontal

Les aérogénérateurs à axe horizontal présenté dans la figure I.6 sont les plus utilisés actuellement

comparativement à ceux à axe vertical puisque ils présentent un prix moins important. De plus, ils

sont moins exposés aux contraintes mécaniques .Ils sont constitués d'une ou plusieurs pales pour

générer un couple moteur entraînant la rotation. Le rotor tripale est le plus utilisé car il constitue un

compromis entre le coefficient de puissance, le prix et la vitesse de rotation du capteur éolien .Dans

la littérature, les principales éoliennes étudiées sont tripales à axe horizontal.

Figure I.6 : éolienne a axe horizontal


10

Les éoliennes peuvent être classées aussi en trois catégories selon leur puissance nominale comme il

est indiqué sur le tableau suivant:

Tableau 1.2 : les catégories des éoliennes selon leur puissance

Echelle Diamètre des pales Valeurs de puissance

Petite puissance <12 m < 40 kW

moyenne puissance 12 à 45 m 40 kW à 1 MW

grande puissance > 46 m > 1 MW

I.6.3 Comparaison

Le tableau résume les points forts et faibles de chaque type de turbine. Pour les applications à

grande puissance les Eoliennes à axe horizontal (EAH) dominent le marché grâce à leur fort

rendement et leur accès au vent fort. Par contre, les éoliennes à axe vertical (EAV) sont plus

appropriées pour les applications domestique en toit d’immeubles, vu que cela leurs donnent

automatiquement accès au vent fort et qu’elles sont facilement abordable pour la maintenance.

Tableau 1.3 : Comparaison des éoliennes a axe horizontales et a axe vertical

Types de Turbines Avantages Inconvénients

Eoliennes à Axe

Horizontal(EAH)

Fort rendement de conversion

d’énergie

Accès au vent plus fort

Régulation de la puissance via

décrochage et calage en cas de

vent dépassant les limites

nominales

Coût d’installation élevé,

mat très dur qui doit

supporter le poids de la

nacelle.

Des câbles plus long du

haut de la tour jusqu’au la

terre

Systèmes d’orientation

requis

Eoliennes à Axe Vertical

(EAV)

Coût d’installation moins

important, et maintenance plus

facile vu qu’elle est proche de la

surface.

Fonctionnement indépendant du

sens du vent.

Adéquat pour les toits de

d’immeuble

Rendement moins faible

Fluctuation importante du

couple et forte vibrations

mécaniques

Solutions limitées pour la

régulation en cas de

rafale de vent


11

I.7 Constitution d’une éolienne

La figure suivante représente la constitution d’une éolienne a axe horizontal :

Figure1.7: composants d’une éolienne

Une éolienne à axe horizontal se compose d'un mât, d'une nacelle, d'un rotor, d’un générateur et

systèmes de control électronique, d'une assise en béton et d'une armoire de couplage.

Le mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante. Ainsi ce dernier pourra être équipé par

une plus grande longueur de pale et être entraîné par un vent plus régulier et plus fort qu'au niveau

du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques

(modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).

La nacelle est de la taille d’un contener. Montée au sommet du mât, elle abrite les composants

mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au

fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne

direction ou la mettre en position de repos. La transformation de l’énergie mécanique, fournit par

les pâles, en énergie électrique à lieu dans la nacelle.

Le rotor est composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne, fixé à la nacelle.


12

Les éoliennes ont le plus souvent 3 pales, car il s'agit d'un compromis entre différents paramètres :

le nombre pair de pales entraîne des effets mécaniques indésirables (forces dites de

"précession" trop élevées),

mais le rendement décroît si le nombre de pales augmente (une pale étant perturbée par la

précédente).

Ainsi, le choix de 3 pales offre à la fois des contraintes mécaniques réduites et un rendement élevé.

Les petites éoliennes ont toutefois des rotors qui ont parfois deux pales. Celles-ci sont en effet

suffisamment petites pour supporter les contraintes de précession et elles peuvent alors profiter d’un

meilleur rendement. De plus, elles sont plus simples à concevoir et à réaliser.

Le générateur électrique Dans le cas de la conversion de l’énergie éolienne, les deux types de machines électriques les plus

utilisées sont les machines synchrones et les machines asynchrones sous leurs diverses variantes [9].

Ce sont souvent des structures standard à une ou deux paires de pôles. Suivant les puissances et le

fonctionnement désirés (connexion au réseau électrique ou fonctionnements isolé et autonome),

différentes configurations de connexions au réseau ou à la charge peuvent être adoptées. Dans le

paragraphe suivant, nous développerons plus en détail les caractéristiques et les performances de

chacun de ces deux types de machines dans diverses configurations.

Le système de contrôle électronique

Une éolienne est généralement munie d’un système électronique destiné à contrôler son

fonctionnement général et son mécanisme d'orientation. Il sert à gérer le démarrage, à régler le pas

des pales, le freinage ainsi que l'orientation de la nacelle par rapport au vent.

Les convertisseurs d’électronique de puissance : La plupart des éoliennes, connectées au réseau ou en fonctionnement autonome sur

un banc de capacités, utilisent uniquement des dispositifs mécaniques pour commander la puissance

électrique débitée [10]. Ces derniers sont :

Les servomoteurs d’orientation de la nacelle qui permettent de placer cette dernière face au

vent lors des phases de fonctionnement,

Le mécanisme hydraulique qui permet d’orienter les pales afin d’adopter l’angle d’incidence

adéquat pour capter une puissance du vent donnée

L'assise de béton, la fondation, permet de fixer de façon rigide l'ensemble de la structure de

l'éolienne.

Et enfin l'armoire de couplage réalise l'adaptation du courant électrique produit par la nacelle en

un courant injectable sur le réseau électrique local.

I.8 Le vent

Le vent est le mouvement des masses d’air résultant du réchauffement inégal de la surface de la

Terre par le Soleil. Ces mouvements de masses d’air sont provoqués par deux phénomènes se

produisant simultanément: un réchauffement inégalement reparti à la surface de la planète par

l’énergie solaire et la rotation de la planète. Jusqu'à environ 100 m de hauteur, l'influence de la

surface du sol sur les vents est importante. Ainsi, la rugosité du terrain et les obstacles naturels ou


13

artificiels peuvent freiner les vents. A cette hauteur, le vent devient donc plus fort et plus régulier.

Le vent est une variable dans le temps et selon l'endroit.

I.8.1 L’action du vent sur une éolienne a axe horizontal

Loi de Betz

La turbine éolienne est un dispositif qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie

mécanique, (figure I.8).

Figure I.8 : Tube de courant autour d'une éolienne

La puissance de la masse d’air Pv qui traverse la surface équivalente à la surface active S de

l’éolienne est donnée par :

(I.1)

où ρ est la densité de l’air, égale à 1,225 kg/m3, Vv est la vitesse du vent en m/s.

La théorie de Betz est une approche simplificatrice découverte en 1920 par le physicien allemand

Albert Betz. Elle donne la quantité maximale d'énergie cinétique pouvant être recueillie par une

éolienne. Cette quantité est définie par la limite de Betz :

(I.2)

Sous cette forme, la formule de Betz montre que l’énergie maximale susceptible d’être recueillie par

un aérogénérateur ne peut en aucun cas dépasser 59 % de l’énergie cinétique de la masse d’air qui le

traverse par seconde. De cette façon le coefficient de puissance maximal théorique est défini par:

(I.3)

Pour décrire la vitesse de fonctionnement d’une éolienne, une grandeur spécifique est utilisée :


14

(I.4)

λ: Rapport de vitesse (vitesse de l’extrémité des pales sur la vitesse du vent);

Ω1: vitesse de rotation avant le multiplicateur;

R : rayon des pales de l'aérogénérateur.

Le coefficient de puissance Cp (λ, β) représente le rendement aérodynamique de la turbine éolienne.

Il dépend de la caractéristique de la turbine et de la vitesse du vent. On peut représenter la variation

de ce coefficient en fonction du rapport de vitesse λ et l’angle de l’orientation des pales β.

I.9 Rendement énergétique d'une éolienne

Sur le graphique ci-dessous, on remarque dans un premier temps que les aérogénérateurs à axe

horizontal et à axe vertical de type Darrieus ont un meilleur rendement aérodynamique. De plus,

leur coefficient de puissance décroît lentement lorsque la vitesse augmente. Les aérogénérateurs

«américains» ont un nombre de pales important car ils évoluent à de faibles vitesses de rotation. Ils

produisent un couple aérodynamique important afin de produire de l’énergie mécanique

(application de pompage).

Figure I.9: Coefficient de puissance CP (λ) pour différents types des turbines éoliennes


15

Les éoliennes tripales sont les plus répandues car elles représentent un compromis entre les

vibrations causées par la rotation et le coût de l'aérogénérateur. De plus, leur coefficient de

puissance atteint des valeurs élevées et décroît lentement lorsque la vitesse augmente. Elles

fonctionnent rarement au-dessous d'une vitesse de vent égale à 3 m/s.

I.10 Les éoliennes connectées au réseau électrique

Aujourd’hui, on peut recenser deux types d’éoliennes raccordées sur les réseaux électriques : les

éoliennes à vitesse fixe constituées d’une machine asynchrone à cage d’écureuil et les éoliennes à

vitesse variable constituées d’une machine asynchrone à double alimentation (MADA) ou d’une

machine synchrone à aimants permanents (MSAP).

Ces dernières (MADA et MSAP) sont principalement installées afin d’augmenter la puissance

extraite du vent ainsi que pour leurs capacités de réglage [11].

I.11 Eoliennes à vitesse fixe et variable

I.11.1 Eolienne à vitesse fixe

Les turbines éoliennes peuvent également être classifiées à des turbines à vitesse fixe, et autres à

vitesse variable. Comme leur nom l’indique les turbines à vitesse fixes tournent à une vitesse

relativement constante. Cette vitesse est déterminée par le rapport du réducteur de vitesse, la

fréquence du réseau électrique et le nombre de pôles de la génératrice. Ces turbines atteignent un

rendement de conversion maximum uniquement pour une vitesse de vent donnée, et l’efficacité du

système dégrade une fois la vitesse de vent change. La turbine à vitesse fixe est protégée par un

contrôle aérodynamique des éventuelles rafales de vent, elle génère une puissance électrique très

fluctuante par rapport aux autres sources d’énergies qui offrent une énergie constante dans le temps

et facilement réglable.

I.11.2 Eolienne à vitesse variable

D’une autre part les turbines à vitesse variable, peuvent atteindre un rendement de conversion

d’énergie sur une vaste plage de vitesse de vent. La turbine change constamment sa vitesse de

rotation dépendamment de la vitesse du vent pour maximiser la puissance. Dans ce cas, la vitesse

spécifique λ, qui représente la vitesse du bout de la pale par rapport à la vitesse du vent, peut être

maintenue dans ces valeurs optimales de manière à réaliser une extraction maximale de la puissance

électrique. Afin que la vitesse de la turbine soit ajustable, l’éolienne est connectée au réseau

électrique via des convertisseurs de puissance. Comme le montre le tableau ci-dessous, les

principales avantages des turbines à vitesse variable sont leurs rendements de conversion d’énergie

élevé, une énergie électrique de bonne qualité et qui ne présente aucune nuisance pour le réseau

électrique, et finalement le stress mécanique réduit sur l’ensemble de la chaîne mécanique. Leurs

principaux inconvénients sont le coût de construction et les pertes énergétiques dues à l’utilisation

des convertisseurs de puissance. Toutefois, ce coût additionnel et les pertes sont compensés par la

forte production d’énergie électrique.

Tableau I.5: Comparaison des éoliennes a vitesse fixe et a vitesse variable


16

Mode de

Fonctionnement

Avantages Inconvénients

Vitesse fixe Simple, robuste, fiable.

construction

et maintenance

d’énergie faible

augmente le coût de la

structure devant supporter

ceci

la puissance

Vitesse variable Fort rendement de

conversion d’énergie

ance électrique de

meilleure qualité

supplémentaires dues à

l’utilisation

desconvertisseurs

compliqué

I.12 Les configurations des Systèmes de conversion d’énergie éolienne

La figure ci-dessous un schéma représentant les différents étapes de la conversion d’énergie

éolienne en énergie électrique exploitable par les réseaux électriques

Figure 1-10: Chaine de conversion de l'énergie éolienne en énergie électriques

Les générateurs électriques et les convertisseurs de puissances sont deux composants importants

dans les systèmes de conversions d’énergie éolienne. Il existe donc différentes conceptions et

combinaisons qui mènent à une multitude de configurations, et qui peuvent être classifiées selon

trois grandes catégories

.

1) Les turbines à vitesse fixe sans interface d’électronique de puissance.

2) Les turbines à vitesse variable avec convertisseur de puissance à capacité réduite.

3) Les turbines à vitesse variable avec convertisseur de puissance à pleine capacité

I.12.1 Système à vitesse fixe – Machine asynchrone à cage : structure MAS


17

Figure 1.11 : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse fixe [12]

Les principaux avantages de cette technologie sont sa robustesse et son faible coût notamment dû à

l’utilisation de machines standards. Par contre la puissance captée n’est pas optimisée (pas de

contrôle du générateur), le coût de maintenance essentiellement imputé au multiplicateur est élevé

et on ne peut pas contrôler l’énergie réactive. Par ailleurs la connexion directe de l’enroulement

statorique de la génératrice au réseau entraîne une très forte sensibilité lors de la présence de défaut

sur celui-ci.

On retrouve encore cette technologie chez certains constructeurs tels que VESTAS ; VERGNET,

SUZLON ou encore MITSUBISHI.

I.12.2 Système à vitesse variable

I.12.2.1 Machine asynchrone à rotor bobiné: structure MASRe [12] [13]

On distingue différents types d’éoliennes à vitesse variable, classés en fonction de la plage de

variation de vitesse qu’elles s’autorisent. Une technologie, basée sur une machine asynchrone à

rotor bobiné auquel est raccordé un dispositif de contrôle de dissipation d’énergie, permet une

variation de vitesse de +10% à +16% (Figure 14.I)


18

Figure 1.14 : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine

asynchrone à résistance rotorique variable MASRe [12]

Dans ce cas-là le rotor de la machine asynchrone n’est plus court-circuite. L’enroulement rotorique

est triphasé et bobiné. Une résistance « contrôlée » à travers une interface d’électronique de

puissance est « embarquée » sur le rotor de la machine. Le contrôle de cette interface permet

d’obtenir une résistance rotorique variable. Ceci permet une variation de vitesse de l’ordre de 10% à

16% au-delà de la vitesse de synchronisme ωsync, augmentant sensiblement l’énergie captée et

réduisant l’influence des oscillations de puissances dues aux fluctuations du vent. Cette solution

n’apporte que très peu d’évolutions par rapport à la structure MAS. Elle conserve les mêmes

inconvénients. On peut néanmoins la considérer comme le précurseur des technologies à vitesse

variable modernes. Cette structure est proposée uniquement par le constructeur danois VESTAS

(système Optislip).

I.12.2.2Machine asynchrone à double alimentation: structure MADA

Une machine asynchrone à double alimentation est une machine asynchrone dont le rotor (bobiné)

est raccordé au réseau par l’intermédiaire d’une interface d’électronique de puissance. Cette

interface adapte l’amplitude et la fréquence des courants rotorique, en contrôlant la tension aux

bornes du rotor en fonction du point de fonctionnement de la machine. On s’autorise ainsi une

variation de vitesse de ±30% autour de la vitesse de synchronisme. Le stator est lui directement

connecté au réseau (Figure 15.I) [13].


19

Figure 1.15 : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine asynchrone à

double alimentation MADA [12]

La machine asynchrone à double alimentation (MADA) avec rotor bobiné présente un stator

triphasé identique à celui des machines asynchrones classiques et un rotor contenant également un

bobinage triphasé accessible par trois bagues munies de contacts glissants. Intégrée dans un système

éolien, la machine a généralement son stator connecté au réseau et l'énergie rotorique varie selon

différents systèmes décrits en-dessus. Les convertisseurs utilisés sont alors dimensionnés pour une

fraction de la puissance nominale de la machine. Le surcoût engendré par la présence de bobinages

au rotor est alors compensé par l'économie réalisée sur le convertisseur.

I.12.2.3 Machine synchrone à aimants permanents- structure MSAP

On s’intéresse ici à une structure d’éolienne entièrement interfacée par un dispositif d’électronique

de puissance constitués de plusieurs convertisseurs (généralement maintenant des onduleurs

réversibles à base de composants semi-conducteurs commandables IGBT ou IGCT contrôlés par

MLI (PWM), l’un connecté au stator et l’autre connecté au réseau. La génératrice de référence

considérée ici est une machine synchrone à aimants permanents possédant un grand nombre de

paires de pôles (Figure I.I) ce qui permet la réduction ou la suppression du multiplicateur de vitesse.

Cette structure permet une variation de vitesse de 0% à 100% de la vitesse nominale de rotation.


20

Figure 1.16 : Schéma de principe d’un entrainement à vitesse variable -machine synchrone à

aimants permanents MSAP [12]

Le convertisseur connecté au stator de la machine contrôle le couple de la machine et donc sa

vitesse de rotation. Celui connecté au réseau assure le transfert de puissance entre la génératrice et

le réseau ainsi que l’échange de puissance réactive avec ce dernier. Cette interface offre un

découplage presque total entre le réseau et la génératrice : un défaut sur le réseau ne viendra pas (ou

très peu) perturber le fonctionnement de la génératrice.

Cette technologie offre de nombreux avantages : souplesse de contrôle, découplage entre réseau et

génératrice, optimisation de la production grâce à une grande plage de vitesse, gestion possible du

réactif. Tout ceci entraîne un coût plus élevé : l’interface dimensionnée à 100% de la puissance

nominale de la machine et la machine synchrone est spécialement conçue pour cette utilisation [13].

Les structures entièrement interfacées, ne sont pas encore forcément à aimants permanents ou à

grand nombre de paires de pôles. De même il existe différentes solutions technologiques concernant

le convertisseur connecté à la génératrice. ENERCON, par exemple utilise depuis plusieurs années

des générateurs synchrones en « anneau » multipolaires avec inducteurs bobinés alimentés

indépendamment et un redresseur à diodes plus hacheur pour sa connexion au bus continu.

VESTAS et GE commence à proposer une technologie avec multiplicateur de vitesse et machine

synchrone à aimants. SIEMENS propose actuellement une structure entièrement interfacée avec

machine asynchrone à cage et multiplicateur de vitesse. Des générateurs à aimants sont annoncés

chez GAMESA. [13]

I.13 La génératrice a aiment permanant

I.13.1 Avantages de la machine synchrone à aimants permanents

Comparée à la machine asynchrone et à courant continu, la machine synchrone à aimants

permanents présente les principaux avantages suivants [13, 14, 15] :


21

Robustesse incontestée par rapport à la machine à courant continu.

Augmentation de la constante de temps thermique et de la fiabilité grâce à l’élimination des

bagues et des balais.

Facteur de puissance et rendement plus élevés par rapport à la machine asynchrone.

Cette structure donne à la machine l’avantage de réduire les dimensions et par conséquent

un moindre moment d’inertie, ce qui augmente sa fiabilité et sa densité de puissance par

unité de volume.

L’utilisation d’aimants permanents au rotor permet d’éliminer les pertes électriques dans le

circuit rotorique.

Elle possède un couple moteur élevé au démarrage ce qui permet d’éliminer le

multiplicateur de vitesse pour les systèmes éoliens.

La configuration ci-dessous permet l’utilisation de plusieurs types de génératrices La performance

du système d’énergie éolien peut être considérablement améliorée avec l’utilisation d’un pont à

deux étages (convertisseur AC/DC puis un convertisseur DC/AC) intercaler entre la génératrice et

le réseau électrique On peut aussi remarquer que le générateur est découplé du réseau électrique,

ainsi il peut tourner à des fréquences différentes de celle du réseau et fonctionner sur une large

gamme de vitesse. Il peut aussi fonctionner sans l’utilisation de réducteur de vitesse en cas

d’utilisation de générateurs multi pôles.

Figure 1-17: architecture à base de convertisseur de puissance à plein capacité

La machine synchrone à aimants permanents est une solution très attractive qui présente une

efficacité supérieure avec son haut rendement énergique, une meilleure fiabilité, et un bon rapport

poids-puissance comparé aux machines nécessitant une excitation. Avec la GSAP, il est possible

d’utiliser un redresseur à diode comme convertisseur AC/DC permettant ainsi de réduire

considérablement le coût de l’installation. Outre ceci, les aimants permanents d'aujourd'hui

produisent des forces magnétomotrices (FMM) très intenses. De sorte que, à FMM égales, les

aimants sont souvent plus petits que les électro-aimants qu'ils remplacent. Comme ils n'ont besoin

d'aucune source d'énergie extérieure pour maintenir leur magnétisme.

Cet avantage permet de se débarrasser du circuit d’excitation présent sur d’autres types de

génératrices et ainsi de réduire la complexité du système et son coût.

En prenant en considération la performance évoluée des GSAP et leurs baisses de prix, combiné à la

baisse des prix des convertisseurs de puissance. La GSAP est devenu la machine la plus attractive

pour les applications à vitesse variable (sans réducteur de vitesse, ou avec réducteur à rapport fixe)

surtout en Offshore . Car ils permettent de combiner entre, l’accès à des puissances supérieures aux

puissances habituelles sous d’autres technologies, et la conception simplifiée du système [16].


22

La machine synchrone à aimants permanents est également caractérisée par un couple volumique

élevé, une inertie très faible et de faibles inductances. Toutes ces caractéristiques offrent à la

machine synchrone à aimants permanents des performances intéressantes, un rendement meilleur et

meilleur contrôlabilité, ce qui fait d’elle une sérieuse concurrente de la machine asynchrone [17].

I.13.2 Conclusion du premier chapitre

Dans ce chapitre, un bref aperçu sur la situation de l’éolien dans le monde est décrit. Les

efforts fournis par les différentes nations dans le but de diminuer le rejet des gaz à effet de serre est

énorme pour l’année 2013.

Le contrôle au niveau de la génératrice et transmission au réseau nous offre deux structures

essentielles (entrainement à vitesse fixe et variable). Les entrainements à vitesse fixes ont tendance

à disparaitre devant les structures à vitesse variable.

Aujourd’hui la tendance va vers des structures entièrement interfacées avec ou sans

multiplicateur de vitesse suivant le type de machine. Cette solution a l’avantage de pouvoir

optimiser au mieux la production d’énergie et offre grâce à son interface une grande souplesse

d’adaptation aux conditions techniques de raccordement. Les machines à aimants permanents vont

certainement se généraliser. Si l’on considère une vision plus lointaine, le multiplicateur de vitesse

qui est source de nombreux incidents tendra à disparaître ou être fortement réduit : c’est déjà le cas

chez les constructeurs, ENERCON, WINWIND et MULTIBRID. Avec les grandes avancées

technologiques en matière d’électronique de puissance et le prix en constante diminution, les

solutions à base de MASDA seront progressivement remplacées par des solutions entièrement

interfacées à base de MSAP.

Modélisation la chaine de conversion éolienne

CHAPITRE II Modélisation la chaine de conversion éolienne


23

CHAPITRE II : Modélisation la chaine de conversion éolienne

II.1 INTRODUCTION

Dans ce chapitre, nous allons étudier une chaine de conversion basé sur une Génératrice

Synchrone à Aimant Permanant (GSAP) débitant dans le réseau de puissance à travers une

chaîne complète de convertisseurs statiques. Pour cela, nous proposons un schéma de commande

de la machine synchrone, comportant un premier dispositif alternatif/continu suivi d’un second

dispositif continu/alternatif.

Puis nous allons modéliser tous les éléments qui composent cette chaine de production selon la

structure décrite comme suit :

Le schéma de commande de la machine synchrone à aimant permanent que nous proposons

(Fig.3), est un convertisseur complet qui relie la GSAP au réseau de puissance. Côté machine, ce

convertisseur comporte un redresseur à diodes suivi d’un hacheur dévolteur [18]. Par rapport à la

solution du redresseur à MLI comportant 03 bras d’interrupteurs commandés, cette variante de

commande utilise un dispositif de matériels ralliant performance, fiabilité et coût minimum. Par

contre, le dispositif de conversion côté réseau, comporte un hacheur boost. Le schéma complet du

convertisseur est donné à la Figure II.1.

Figure II.1 : Schéma conventionnel de la chaine de conversion éolienne [18].


24

L’interface électronique de puissance, placée entre le générateur et le réseau, aura pour rôle de commander le générateur afin d’extraire le maximum de puissance du vent [18].

Le raccordement indirect du générateur au réseau électrique offre, outre l’avantage d’optimiser la

puissance soutirée au vent, la possibilité d’économiser des temps importants de démarrage et de

synchronisation avant couplage avec le réseau. Un schéma conventionnel d’une PMSG raccordée

au réseau à travers un convertisseur complet, consiste à l’utilisation de deux dispositifs,

alternatif/continu et continu/alternatif (Figure II.1).

Il s’agit d’une récupération instantanée de l’énergie dans le réseau de puissance. Elle permet de réaliser l’économie d’une batterie ou d’un accumulateur.

La méthode proposée de recherche MPPT requiert la lecture en temps réel de la vitesse du vent,

ainsi que la connaissance préalable des caractéristiques de la turbine. Elle présente les avantages par rapport à la méthode, dite Hill Climb Search, de la rapidité de convergence et d’une meilleure

stabilité autour du point de régime permanent [18].

La régulation du courant de la génératrice est effectuée en commande linéaire par retour d’état. Les résultats sont illustrés par des simulations en fin d’article.

II.2 MODELISATION DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE

II.2.1 Modélisation physique de la Turbine Eolienne

L’éolienne est un élément tridimensionnel, ayant des formes complexes, en mouvement et plongée

dans un flux d’air. Toutefois, et c'est un point important, le modèle en question doit décrire la

dynamique mécanique réelle de la voilure, et non pas uniquement le comportement quasi-statique.

Une voilure éolienne transforme l’énergie de la masse d’air en mouvement et délivre une puissance

mécanique caractérisée par la vitesse de rotation et le couple mécanique.

En combinant les équations (I.1), (I.2) et (I.3), (théorème de betz) la puissance mécanique Pm

disponible sur l'arbre d'un aérogénérateur s'exprime ainsi :

( )

( )

(II.1)

La puissance extraite par une éolienne est donnée par la relation suivante :

( )

(II.2)

Avec :

Cp : Coefficient de puissance qui est fonction de la vitesse spécifique λ


25

λ : Vitesse spécifique, qui représente le rapport entre la vitesse linéaire de l’extrémité d’une pale et

de la vitesse du vent = Ω⁄ 𝑤.

p : La densité du vent en [Kg/m3].

S : La surface balayé par les pales de l’éolienne [m²].

Ω : La vitesse mécanique angulaire du rotor de la turbine éolienne [rad/s].

Vw : Vitesse du vent [m/s].

R : Rayon d’une pale de la turbine [m].

Plusieurs approximations numériques ont été développées dans la littérature pour déterminer une

expression du coefficient Cp. On site parmi ces approximations celles parus respectivement dans les

références suivantes [16] :

1. Première expression :

(II.3)

Où : 𝛾 = est le rapport de vitesse périphérique.

Et β représente l’angle d’attaque de la pale en degré

2. Deuxième expression :

(II.4)

3. troisième expression :

(II.5)

Avec

Cette dernière expression fait partie de la bibliothèque de SIMULINK, et donc sera celle utilisée

pour valider le modèle notre système éolien. La courbe de cette dernière formule est donnée par la

(Figure II.2). Plusieurs courbes sont représentées sur cette figure dépendant de l’angle d’attaque β,

pour des raisons économiques nous nous intéressons uniquement par celle correspondant à β=0.


26

Figure II.2: courbe Cp du modèle de Simulink

L’expression du couple correspondant à la puissance précédemment mentionnée est donnée par :

( )

(II.6)

Le couple mécanique vu par la machine synchrone est différent du couple éolien car il faut tenir

compte de l’inertie de l’éolienne et des frottements visqueux propre à la structure de l’éolienne.

Ceci peut être traduit en terme mathématiques par l’équation suivante :

(II.7)

( )( ) (II.8)

Avec J et f respectivement l’inertie de l’éolienne et le frottement de l’éolienne. Et P étant

l’opérateur Laplacien. A partir de ces deux équations, nous pouvons représenter le modèle

dynamique de l’éolienne avec le schéma suivant :

Figure II.2: modèle dynamique de l'éolienne


27

II.2.2 La Génératrice synchrone a aimant permanant

L’alternateur utilisé dans notre étude est une génératrice synchrone à aimant permanant avec 4

paires de pôles surfacique située au rotor permanents à grand nombre de pôles, rend les systèmes à

vitesse variables plus attractifs. Ce type de machines permet d’extraire un maximum d’énergie en

réduisant les contraintes mécaniques et cela par l’élimination du multiplicateur de vitesse, ce qui

améliore la fiabilité du système et la réduction des frais d’entretien. Contrairement à la machine

asynchrone à double alimentation qui nécessite un multiplicateur mécanique

II.2.2.1 L’architecture de la GSAP :

Il existe quatre catégories de machines synchrones à aimants permanents du point de vue

Construction mécanique :

_a_ _ b_ _c_ _d_

Figure II.3 : Quelques configurations du placement des aimants

a- Aimants en surface pour machine à flux radial.

b- Aimants enterrés pour machine à flux radial.

C- Aimants en surface pour machine à flux axial.

d- Aimants enterrés pour machine à flux axial

Différentes configurations d’emplacement des aimants sont possibles (Figure II.4). Chacune a ses

avantages et ses inconvénients. En règle générale, les aimants en surface ont l’avantage d’être

simples à mettre en place (un simple collage sur la surface du rotor suffit). A haute vitesse, cette

configuration n’est pas adaptée car avec la force centrifuge, les aimants vont se décoller. Pour

remédier à ce problème, il est préconisé de recourir soit à un rotor extérieur avec aimants en surface

(les aimants étant plaqués à la surface grâce à la force centrifuge) soit à fretter les aimants. En plus

de supprimer les problèmes de décollement à haute vitesse, les aimants enterrés peuvent être utilisés

en concentration de flux. Ainsi, leur utilisation est optimisée. A noter qu’en plaçant les aimants de

cette manière, les courants de Foucault dans les aimants sont diminués.

Pour notre étude nous utilisons les aimants sont placés sur la surface du noyau de rotor (a), séparées

par des matières non ferrite entre deux aimants adjacents. L’entrefer effectif entre le noyau du rotor

et du stator est uniformément répartir autour de la surface du rotor. Ce type de configuration est

connu comme une GSAP à pôles non saillants. Son principal avantage est sa simplicité et son faible

coût de construction par rapport à la GSAP encastrés. Dans un système de conversion d'énergie

éolienne à entraînement direct, la génératrice synchrone est utilisée avec un nombre élevé de pôles.


28

II.2.2.2 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents

La modélisation de la GSAP consiste à construire un modèle mathématique de la machine, en

traduisant les phénomènes électromagnétiques et mécaniques qui régissent son fonctionnement. Ce

qui permet d’étudier avec pertinence le comportement des différentes variables en mode dynamique

et statique et exploiter ce modèle dans les simulations.

II.2.2.3 Hypothèse simplificatrice

Afin de simplifier la modélisation de la machine synchrone, il est nécessaire de poser les hypothèses

simplificatrices suivantes

Le stator connecté en étoile, neutre en l’air pour éliminer la composante homopolaire des

courants.

La saturation du circuit magnétique est négligée ce qui mène à exprimer les flux

magnétiques comme des fonctions linéaires des courants des phases,

La distribution de la FMM dans l’entrefer est sinusoïdale, les harmoniques d’espace sont

alors négligés.

Les pertes par hystérésis et par courants de Foucault sont négligées.

L’effet de peau et de la température est négligé.

II.2.2.4 La Mise en équation de la MSAP

Les modèles des machines électriques les plus utilisés sont basés sur la théorie unifiée des

machines électriques. Cette théorie est basée sur la transformation de Park, qui rapporte les

équations électriques statoriques et rotoriques à un système cartésien d’axes, d et q [19], [20].

Dans le repère classique il y a trois axes (as, bs, cs) orientés suivant les axes des trois enroulements

statoriques de la machine. D’habitude, l’axe as est considéré comme référence pour les

transformations ultérieures. Comme les stators des machines asynchrones et synchrones sont

pareils, les repères statoriques pour les deux types de machine sont identiques. Quant aux rotors, on

a toujours trois axes (ar, br, cr – correspondant aux trois enroulements rotoriques) pour la machine

asynchrone (MAS), mais un seul axe (F – correspondant à la direction de l’aimantation) pour la

machine synchrone à aimants permanents (MSAP). L’angle 𝜃𝑟 donne la position du rotor par

rapport au stator.


29

Figure II.5 : a- machine asynchrone _ b- machine a aimant permanant

Le modèle de la MSAP qui sera développé dans notre travail est basé sur le schéma de la figure

suivante :

Figure II.6 : schéma représentatif de la MSAP à modéliser

Equations électriques

[

] [

]

[

] (II.9)

[va vb vc]: Vecteur tension de phases statoriques.

[ia ib ic]: Vecteur courant de phases statoriques.

[Ψa Ψb Ψc] : Vecteur des flux totaux traversant les bobines statorique.

RS: la résistance des phases statoriques.


30

Passage au repère de Park

Afin de simplifier le modèle dynamique de la machine, on applique un changement de repère. Cette transformation mathématique, transforme les trois bobines statoriques déphasées de 2π/3 en deux bobines fictives équivalentes déphasées de π/2 et situées sur le rotor Figure 5.III

Figure II.7 : Transformation triphasée- diphasée

La transformation de Park (P(θ)) est définie par la matrice suivante :

(II.10)

P(θ) définie le passage du repère a, b, c vers d, q, o

(II.11)

P-1

(θ) définie le passage du repère d, q, o vers a, b, c

On définit aussi une autre transformation qui est celle de Concordia qui définit d’autres axes fictifs α et β tel que l’axe α est confondu avec l’axe as ce qui revient à poser θr=0 dans la transformation de Park (équation III-2)


31

(II.12)

Modèle de la MSAP dans le repère de Park :

Le schéma simplifié du GSAP dans le repère de Park est représenté sur la Figure 5.III, le modèle de la MSAP est définit par les différentes équations électriques, magnétiques et mécaniques suivantes :

Les équations électriques

Les équations électriques de la MSAP convention moteur sont données par :

{

(II.13)

En convention génératrice on inverse le sens des courants on aura donc les équations électriques de la GSAP comme suit :

{

(II.14)

Cette convention de signe sera conservée tout le long de cette modélisation

Equations magnétique

{

(II.15)

Dans les machines synchrones à répartition sinusoïdale les flux Ψds d’axe direct (Ψds) et de quadrature (Ψqs) sont fonction linéaire des courants (ids et iqs) respectivement d’axe direct et de quadrature,


32

Expression du couple électromagnétique

Est exprimé par la dérivée partielle de stockage d'énergie électromagnétique par rapport à l'angle géométrique de rotation du rotor [21]:

(II.16)

We : Energie emmagasinée dans le circuit magnétique.

θgeo : Ecart angulaire de la partie mobile par rapport à la partie fixe (rotor par rapport au stator)

p : Nombre de paires de pôles.

L’expression de la puissance transmise est donnée par :

( )

( )

En remplaçant vds

et vqs

par leurs expressions on aura :

( )

[ (

) (

)

( )] (II.17)

Ou

(

) Représente la puissance dissipée par effet Joule

(

) La variation de l’énergie emmagasinée dans les enroulements

du stator

( ) La puissance électromagnétique.

Sachant que p=Cem. .Ω et ω=p.Ω (Ω=vitesse mécanique) alors :

( )

Et après l’affectation des valeurs de flux on aura

[( ) ] (II.18)


33

Equations mécaniques :

L’équation de la dynamique de la GSAP est donnée comme suit :

(II.19)

Tel que:

Cm: couple moteur.

Ωf : couple de frottements visqueux. Ωf

f : coefficient des frottements visqueux.

J : moment d’inertie de la machine.

II.2.3 Redresseur à diodes

II.2.3.1 Définition

Le redresseur est un convertisseur statique qui assure la conversion 𝑟 il est

alimenté par une source de tension alternative, il permet de d’alimenter en continue le récepteur

branché à sa sortie. On utilise les redresseurs chaque fois qu’on a besoin des sources continue

sachant que l’énergie électrique est disponible en alternatif.

Les redresseurs ont un vaste domaine d’application mais malheureusement leur inconvénient

majeur est l’envoi au réseau des courants non sinusoïdaux riches en harmonique.

II.2.3.2 Structure du redresseur :

La structure à étudier est le redresseur triphasé en pont avec l’indice de pulsation égal à six, son

schéma est illustré dans la figure (1.2). Le pont redresseur étant alimenté par une source triphasée.

Les tensions simples d’un signale triphasés équilibrées directs sont :

[

]

[

( )

(

)

(

) ]

(II.20)

Figure II.18 : Schéma électrique D’un redresseur triphasé non commandé


34

II.2.3.3 Etude de la tension de charge

Deux diodes d’un même bras ne peuvent conduire simultanément. Lorsque conduit, l’une des

deux diodes conduit également. Il vient que conduit lorsque est plus positive

que , ou encore :

( )

Le même raisonnement conduit aux conditions suivantes :

( )

( )

Pendant chaque séquence de conduction, la tension à la sortie du redresseur est :

( ) ( )

II.2.3.4 Etude des courants :

Chaque enroulement secondaire est connecté à deux diodes .

Il est parcouru par ( ) pendant l’intervalle ( ⁄ ) ou la diode du premier groupe conduit, et par

( ) pendant l’intervalle ( ⁄ ) ou c’est celle du second groupe qui conduit.

Ainsi par exemple pour la première phase on donne :

Le courant continu iR à la sortie du redresseur à diodes se traduit en courant alternatif iG à son entrée dont la valeur efficace du fondamental s’écrit suivant la loi

( ) ∑

(

) ( )

II.2.4 Hacheur buck

C'est un convertisseur direct DC-DC. Le convertisseur buck dévolteur peut être souvent trouvé dans

la littérature sous le nom de hacheur dévolteur ou hacheur série. La source d'entrée est de type

tension continue et la charge de sortie continue de type source de courant.


35

L'interrupteur K figure (II.3) peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours

positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l'amorçage) [22].

Figure II.8 : Schéma électrique d'un hacheur buck.

II.2.4.1 Fonctionnement :

On note : α : le rapport cyclique des impulsions qui commandent l’interrupteur.

Te : étant la période des impulsions.

Quand l’interrupteur est fermé pendant la durée α Te, la tension appliquée aux bornes de la diode.

L’interrupteur est commandé à la fréquence de découpage fe =

. La source Vi fournit de l’énergie

à la charge et à l’inductance. Pendant le temps t [αTe, Te] l’interrupteur s’ouvre et l’énergie

emmagasinée dans l’inductance commande la circulation du courant dans la diode de roue libre D.

La tension à ses bornes est donc nulle [22].

Les chronogrammes (tracés dans le cas idéal) de la figure (II.4) sont tracés dans le cas d’une

conduction continue, c’est-à-dire que le courant ne repasse jamais par zéro. Pour calculer la relation

entre la tension d’entrée et celle de sortie, on exprime que la tension moyenne aux bornes de

l’inductance est nulle [22].

V0 = α.Vi

Figure II.10 : chronogrammes de courant et tension d'un hacheur buck


36

II.2.4.2 Modèle mathématique équivalent :

Pour savoir le comportement réel nous devons faire la représentation du circuit équivalent par les deux états du commutateur et de tirer par suite le modèle mathématique reliant les variables d’entrée/sortie. La figure (II.5) montre le schéma du circuit équivalent d’un convertisseur dévolteur avec le commutateur fermé, tandis que la figure (II.6) représente le convertisseur dévolteur avec le commutateur ouvert pendant 1-αTe [22].

Figure II.10 : Schéma électrique d'un hacheur buck fermé

Lorsqu’on applique la loi de Kirchhoff sur le circuit ci-dessus on aura les équations suivantes:

(II.23)

Figure II.11 : Schéma électrique d'un hacheur buck ouvert.


37

L’inductance L1 à la sortie est choisie suffisamment élevée pour lisser le courant de sortie i0 .

II.2.5 Condensateur de stockage :

L’´évolution temporelle de la tension du bus continu est obtenue à partir de l’intégration du courant capacitif (Figure 19.III):

Figure II.12 : Schéma électrique du bus continu

Ainsi :

( )

Le courant ic peut jouer un rôle particulier dans le maintien de tension de condensateur de stockage à une valeur constante et, économiquement, ne dépassant pas une valeur de 200 V.

La capacité C est choisie suffisamment élevée pour lisser la tension aux bornes vC .

II.2.6 Hacheur boost :

C’est un convertisseur direct DC-DC. La source d'entrée est de type courant continu (inductance en série avec une source de tension) et la charge de sortie est de type tension continue (condensateur en parallèle avec la charge résistive). L'interrupteur K peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l'amorçage) [22]. Connu aussi sous le nom de « boost » ou hacheur parallèle ; son schéma de principe de base est celui de la figure (II.7).

Son application typique est de convertir sa tension d’entrée en une tension de sortie supérieure [22].


38

Figure II.14 : Schéma électrique d'un hacheur boost

II.2.6.1 Fonctionnement :

Quand l’interrupteur est fermé pendant la durée, le courant dans l’inductance croît linéairement. La

tension aux bornes de K est nulle. Pendant le temps, l’interrupteur s’ouvre et l’énergie emmagasinée

dans l’inductance commande la circulation du courant dans la diode de roue libre D. En écrivant

que la tension aux bornes de l’inductance est nulle, on arrive à [22]

V0 (1 - α) = Vi

Figure II.14 : Chronogrammes de courant et tension d'un hacheur boost

II.2.6.2 Modèle mathématique équivalent :

Afin de pouvoir synthétiser les fonctions du hacheur survolteur à l’état d’équilibre, il est nécessaire de présenter les schémas équivalents du circuit à chaque position de l’interrupteur K. celui de la figure (II.9) présente le circuit équivalent du boost lorsque K est fermé c-à-d d’entre [0, αTe][22].

Figure II.15 : Schéma électrique d'un hacheur boost fermé.


39

Comme pour le circuit buck, l’application des lois de Kirchhoff sur les circuits équivalents des deux phases de fonctionnement donnent les calculs suivants :

(II.26)

L’état ouvert de l’interrupteur K, le circuit équivalent au fonctionnement du Boost est le suivant:

Figure II.17 : Schéma électrique d'un hacheur boost ouvert

(II.27)

L’inductance L2 à l’entrée est choisie suffisamment élevée pour lisser le courant d’entrée i2.

II.2.8 Modélisation de l’onduleur

L’onduleur est une diapositive de l’électronique de puissance

Ces caractéristiques guident les concepteurs au choix convenable des semi-conducteurs à employer

et leurs commandes.

Les interrupteurs Ka et K’a ;Kb et K’b ;KC et K’C doivent être contrôlé de façon complémentaire.

Les tensions d’entrée de l’onduleur : entre les trois borne a,b,c et le point milieu fictif de référence

n0 de la source continue sont : 23


40

a) Fonction de connexion :

Soit:

On associe à chaque interrupteur une fonction dite de connexion telle que peut prendre deux

valeurs 0 et 1.

Elle est égale à 1 si l’interrupteur est fermé et à 0 si il est ouvert d’où o peut écrire :

( )

: Courant passant à l’interrupteur.

: La tension aux bornes de l’interrupteur

b) Fonction de conversion composée :

Soit tels que :

D’après la fonction de connexion on peut écrire que :

( )

( )

On peut ainsi démontrer que :

( ) [( ) ] ( )

( )

( )

( )

On tire notre matrice :

[

] [

] [

] (II.28)

Les fonctions de conversion composée sont donc :


41

[

] [

] [

] [

]

L’hypothèse est que les tensions simples forment un système triphasé équilibré

[

] [

]

[

]

[

]

[

] [

]

[

]

[

] [

] [

]

[

]

[

] [

] [

]

[

] [

]

c) Fonctions de conversions simples :

[ ]

[ ] (II.30)

[ ]


42

II.2.9 Modélisation du filtre

a) dans le repère naturel Il s’agit d’un filtre passif série (R

t, L

t) raccordé entre le convertisseur de puissance et le

réseau (Figure II.18) pour réduire la propagation des harmoniques dans le réseau

électrique. [24]

Figure II.18 : Schéma électrique du filtre passif

Les courants traversant le filtre sont obtenus par intégration des tensions aux bornes des bobines :

(II.31)

i1

(t0) et i2

(t0) sont respectivement les courants i1 ; i2 l’instant initial. Le courant dans la troisième

phase est déduit à partie des deux premiers :

it3=-(it1+it2)

Les tensions aux bornes des résistances sont données par :

Vrt1=Rt .it1

Vrt2=Rt .it2

Les tensions aux bornes des bobines peuvent se donner en appliquant la loi des mailles :

VLt1=∆v1-VRt1

VLt2=∆v2-VRt2

7 b) dans le repère de Park [23]

Les équations différentielles définissant le filtre peuvent être obtenues en regroupant les équations

précédentes :


43

Après application de la transformation de Park :

(II.32)

II.2.10 Modèle du transformateur

a) Modèle du transformateur dans le repère naturel :

Le modèle du transformateur ramené au primaire est basé sur le circuit équivalent d’une seule phase

représenté sur la Figure

Figure II .19 : Schéma équivalent du transformateur ramené au primaire

Dans ce modèle, les pertes fer sont modélisées par une résistance en parallèle avec l’inductance de

magnétisation. En négligeant le courant de magnétisation, le modèle peut se réduire à celui

représenté sur la Figure

Avec:


44

Figure II.20 : Schéma monophasé équivalent simplifier du transformateur ramené au primaire [24]

Les équations du circuit triphasé équivalent sont les suivantes :

b) Modélisation du transformateur dans le repère de Park

L’application de la transformation de Park donne :

(II.33)

Conclusion:

Dans ce chapitre nous avant discuter la chaine de conversion proposée afin de comprendre le

principe de fonctionnement ; puis on donnée le model mathématique de chaque élément composent

cette chaine, commençant par la turbine jusqu’au raccordement au réseau électrique.

Contrôle de la chaine de conversion éolienne

Chapitre III



45

Chapitre III : Contrôle de la chaine de conversion éolienne

III .1 Introduction :

Le modèle complet de la chaine de conversion éolienne englobe en outre la turbine et son arbre, la

GSAP, un redresseur triphasé à diodes non commandés ,un hacheur dévolteur ,un condensateur ,un

hacheur survolteur ,un onduleur MLI ,transformateur puis le couplage au réseau ;Ce système est

assez compliqué pour la génération des lois de commande qui le gère, alors, on vas partager en

parties le système et ainsi suivre le flux de transfert de puissance de la turbine jusqu’au réseau.

Le principe MPPT repose sur la variation de vitesse de la turbine suivant celle du vent en cas de

raccordement indirect de la génératrice avec le réseau.

III.2 SCHEMA DU MONTAGE DE PUISSANCE

Le dispositif de conversion comporte deux étages et un condensateur intermédiaire:

● Un dispositif Alternatif-Continu: constitué d’un redresseur à diodes suivi d’un hacheur buck pour le réglage du courant de courant de charge I1 du condensateur.

Un dispositif Continu-Alternatif: constitué d’un hacheur boost pour le réglage du courant de décharge I2 suivi d’un onduleur de courant à MLI.

Ainsi, pour le réglage et la stabilité du système, on dispose de deux grandeurs d’entrée: les courants I1 et I2.

La régulation du courant débité I1 par la génératrice se fait par le biais d’un module de charge du

condensateur constitué d’un hacheur buck assurant la charge à courant constant d’un condensateur.

Le courant I2 permet d’assurer la décharge de ce condensateur vers le réseau alternatif. Cette

fonction est assurée par un module de décharge dans le réseau de puissance constitué d’un hacheur

boost suivi d’un onduleur de courant à MLI à travers un transformateur d’isolation.

les quatre parties de commande du système sont:

1- l'algorithme d'extraction du maximum de puissance.

2- La commande vectorielle de la GSAP.

3- Le contrôle de l’onduleur MLI.

4- Le couplage au réseau.

III.3 la commande MPPT

On peut distinguer entre deux grandes catégories de stratégies MPPT : des stratégies ne nécessitant

pas la connaissance de cette courbe caractéristique et des stratégies nécessitant la connaissance

préalable de la caractéristique 𝐶𝑝 (𝜆) de l’éolienne, point de vue rapidité du système facilite de

commande et simplicité de mettre en œuvre [24]


46

III.3.1 Stratégie MPPT avec connaissance de courbe caractéristique

Ces Stratégies de commande, souvent intitulées contrôle basé sur la relation optimale, ORB

(Optimum Relationship-Based Control), se servent de la caractéristique de l’éolienne 𝐶𝑝 (𝜆) afin de

déterminer la vitesse spécifique optimale qui permettra de dresser la relation optimale entre

puissance maximale et vitesse de rotation du rotor optimale. Et ce pour retrouver rapidement la

consigne à appliquer au régulateur pour traquer en permanence et efficacement la puissance

maximale.

Cette façon de procéder exige du constructeur de l’éolienne des essais de caractérisation (soufflerie)

ou des simulations du profil de pales, Pour déterminer les caractéristiques de l’éolienne afin de

simplifier l’algorithme de la recherche de puissance maximale et d’utiliser des convertisseurs plus

basiques et moins coûteux.

III.3.2 Commande en vitesse

Pour chaque vitesse du vent, il existe une seule vitesse du rotor permettant d’avoir le maximum

de puissance. A première vue, un calculateur de maximisation de la puissance pour notre

système de conversion d’énergie éolienne nécessitera des capteurs (de vent, de vitesse rotorique,

de courant et de tension) afin de pouvoir déterminer la position du système (vitesse du vent,

puissance) sur la courbe caractéristique de l’éolienne est ainsi agir via le dispositif

d’électronique de puissance de manière à positionner le point de fonctionnement sur le sommet

de la courbe.

Figure III.1 : courbe de puissance d'une éolienne pour différents vitesses de vent

En comparaison avec la commande en vitesse, la commande en couple présente selon les études

effectuées par A.Mirecki [24] quelques avantages :

- De point de vue de l’efficacité énergétique les deux stratégies sont presque équivalentes avec un

léger avantage de la commande en couple.

- Le schéma de contrôle en couple est simplifié par l’enlèvement d’une boucle par rapport au

pilotage en vitesse.

- La commande en couple est parfaitement stable et sans à-coups quand la commande en vitesse

peut poser des problèmes d’instabilités pour de fortes inerties de voilure et des transitoires parfois

souvent plus brusques.


47

- Les voilures de type Savonius ont la propriété de provoquer une ondulation d’ordre deux dans le

couple mécanique à cause de leur construction particulière. En utilisant le contrôle en couple et sous

condition d’être capable d’identifier cette harmonique 2, il est envisageable de filtrer la perturbation

par action sur le couple alors qu’une action indirecte sur la vitesse est a priori fastidieuse.

III.3.3 Commande en couple

Compte tenu de la relative difficulté à régler la vitesse d’une turbine fortement inertielle, une

commande en couple de la génératrice peut être envisagée. Cette façon de procéder donne une

association plus « saine » de point de vue physique : une source de vitesse (ensemble éolienne) est

connectée à une source de couple (génératrice pilotée en couple). Cette nouvelle façon de contrôler

le système demande une adaptation du dispositif de recherche du point de puissance maximal

MPPT.

La Figure I.4 du CHAPITRE 1, présente les allures de la courbe 𝐶𝑝 (𝜆) de différents types

d’éoliennes. Le sommet de cette courbe est équivalent à la puissance maximale «extractible » donc

au point optimal. Il est caractérisé par la vitesse spécifique optimale 𝜆𝑜𝑝𝑡 et le coefficient de

puissance maximal 𝐶𝑃𝑜𝑝𝑡. La vitesse spécifique est définie comme étant :

𝜆 =Ω. 𝑅𝑉𝑤 (III.1)

Nous pouvons en extraire l’expression de la vitesse du vent :

𝑉𝑤 =Ω. 𝑅𝜆 (III.2)

Nous remplaçons cette expression dans l’équation de la puissance extraite de l’éolienne :

𝑃

( )

(III.3)

En utilisant la formule du calcul de la puissance, il est facile de déterminer le couple éolien

correspondant :

𝑃

( )

𝐶 (III.4)

Alors le couple éolien est proportionnel au carré de la vitesse angulaire du rotor

𝐶

( )

(III.5)

En se plaçant dans les conditions d’exploitation optimale de l’éolienne, c'est-à-dire à 𝜆 = 𝜆𝑜𝑝𝑡, le

rapport en vitesse angulaire et couple pour avoir le maximum de la puissance est donné par la

relation :

𝐶

(III.6)


48

Avec 𝑜𝑝𝑡 le même rapport défini dans le cas de la régulation en vitesse

( )

(III.7)

Selon une expérimentation [24], la famille de courbe du couple par rapport à la vitesse de vent pour

différentes vitesses de vent est donnée par la courbe gauche de la Figure 4-4. La courbe de droite

par contre donne l’allure du couple à puissance maximale.

Figure III.2 : gauche: famille de courbe du couple pour différents vitesse de

Vent - droite: courbe du couple maximal

Contrairement à l’algorithme MPPT de la commande de vitesse, qui se sert de la mesure du courant

et de la tension pour déterminer la puissance actuelle, et l’utilise pour déterminer la nouvelle

consigne de vitesse, l’algorithme de commande en couple nécessite comme entrée une mesure de la

vitesse angulaire du rotor pour déduire via le rapport 𝑜𝑝𝑡 la nouvelle consigne de couple (Figure

4-5). il est préférable aussi de faire une déduction de la vitesse du rotor à partir de la mesure de

tension aux bornes de l’alternateur.

Selon le modèle de Behn-Eschenburg de la machine synchrone, la tension statorique de sortie d’une

phase est donnée par l’expression :

𝑉𝑎𝑠 = 𝐸𝑎𝑠 − (𝑅𝑠 + 𝑗𝐿𝑠𝜔𝑠)𝑖𝑎𝑠

avec 𝐸𝑎𝑠 = 𝜔 linéairement proportionnelle à la fréquence de rotation du rotor En négligeant (𝑅𝑠 +

𝑗𝐿𝑠𝜔𝑠) , nous pouvons considérer que la fréquence de rotation du rotor de la machine synchrone est

proportionnelle à la valeur efficace de la tension statorique.

Ainsi par une mesure de la tension nous pouvons avoir une image de la vitesse angulaire de la

turbine Ω [ ] [ ]


49

Figure III.3 : couple de référence en fonction de la vitesse de rotation

Ce mode de recherche permet à chaque pas de calcul de converger vers le point optimal tel que

illustrer graphiquement dans la Figure 4-6

- La mesure de la vitesse de rotation Ω1 engendre le calcul du couple Cref1. Ce couple est

appliqué à l’arbre mécanique par la régulation du couple électromécanique de la génératrice. Par

l’action de ce couple la vitesse de rotation change selon l’équation mécanique ci-dessous. Et ce,

pour atteindre au pas de calcul suivant la vitesse Ω1 où de nouveau la nouvelle consigne du

couple sera calculée ;

𝐶 𝐶

- Après quelques itérations, la paire de coordonnées optimum à (Ω𝑜𝑝𝑡 ; 𝐶𝑜𝑝𝑡) est atteinte et

l’extraction de la puissance maximale 𝑃𝑚𝑎𝑥 est réalisée à ce point.

Figure III.4 : convergence vers le point optimal – contrôle en couple

III.4.1 Commande vectoriel de la GSAP

La commande vectorielle est une méthode qui traite la technique de contrôle des machines

alternatif. Son principe consiste à éliminer le couplage entre l'inducteur et l'induit en dissociant

le courant statorique en deux composantes(ids, iqs) en quadrature dans un référentiel lié au

champ tournant de façon que l'une des composantes (iqs) commande le couple et l'autre (ids)

commande le flux, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement comparable à celui d'une machine

à courant continu, à excitation séparée [23].


50

La commande de la génératrice est basée sur un pilotage vectoriel classique avec capteur de

position. Le champ magnétique d’excitation dans une machine synchrone est produit par le

rotor. Ce champ magnétique tourne avec une vitesse angulaire égale à la vitesse de rotation

électrique. Un autre champ magnétique tournant est appelé la réaction de l’induit est produit par

les enroulements de stator. La vitesse de rotation est liée à la pulsation du champ tournant par la

relation:

Ω=w/p

Où p est le nombre de paires de pôles de la machine. Si on suppose un fonctionnement de la

machine à vide et sans pertes, seul le flux magnétique d’excitation apparaît. La commande

vectorielle classique consiste à aligner un des deux axes du repère de Park, généralement l’axe

direct d selon ce vecteur tournant composé par le champ d’excitation [31,44]. Lorsque la

machine est chargée, une réaction d’induit apparaît et déplace le flux d’excitation.

Le couple électromagnétique et la vitesse de rotation dépendent donc des courants statoriques et

du flux magnétique. Comme décrit dans le chapitre III, le modèle de la machine synchrone à

aimants permanents dans le repère de Park est donné par les équations différentielles :

{𝑉 𝑅 𝑖 𝐿

𝜔𝐿 𝑖

𝑉 𝑅 𝑖 𝐿

𝜔𝐿 𝑖 𝜔

(III.8)

Avec:

{ 𝐿 𝑖 𝜔

𝐿 𝑖 (III.9)

IV-2 deviant:

{𝑉 𝑅 𝑖

𝜔

𝑉 𝑅 𝑖

𝜔𝐿 𝑖 𝜔

(III.10)

L'expression du couple électromagnétique est donnée par:

𝐶

𝑃( 𝑖 𝑖 ) (III.11)

Pour une machine synchrone à pôles lisse on a:

En passant à une écriture complexe

𝑉 𝑅 𝑖 𝐿 𝑖

𝑡 𝜔


51

Donc :

𝑉 𝜔

La force électromotrice de la génératrice est donnée par :

Parmi les stratégies de commande vectorielle appliquées à une machine synchrone, celle qui

consiste à imposer une référence du courant direct id égale à zéro est la plus répandue. Le

couple électromagnétique est donné donc par l’expression :

𝐶

𝑝 𝑖 (III.12)

Ainsi il est possible de contrôler le couple électromagnétique en contrôlant le courant iq tandis

que le courant id est asservi à zéro.

III.4 Synthèse des correcteurs

On propose de mettre en œuvre des régulateurs de type PI dans la structure de commande. Les

équations du modèle mathématique de la machine synchrone à aimants permanents peuvent être

écrites par la forme :

{𝑉 𝑅 ( ) 𝑃𝐿 ( ) 𝜔 ( )

𝑉 𝑅 ( ) 𝑃𝐿 ( ) 𝜔 ( ) (III.12)

Les termes Edq= ω.Ψdq sont considérés comme des perturbations mesurables. La fonction de

transfert de la machine peut se mettre sous la forme suivante :

(𝑝)

(III.13)

(𝑝) ( )

( ) ( ) (III.14)


52

Avec la constante de temps :

𝐿 𝑅

Les boucles de régulation se présentent alors sous la forme du schéma donné sur la Figure 3. IV,

(Les constante Kp

et Ki

sont identiques pour la boucle de courant de l’axe direct et de

quadrature).

Figure III.5 : boucle de régulation des courants

La figure 4.IV illustre les deux boucles de régulation des courants et découplage des tensions ;

Figure III.6 : Stratégie de commande en couple de la GSAP


53

Les constantes des correcteurs sont déterminées par la méthode de placement de pôles. Pour la

boucle de vitesse les constantes des correcteurs sont données par [25

𝑃

𝑃 𝑅

𝐿

Ainsi la structure générale du contrôle de la GSAP et de sa connexion au convertisseur coté

machine (Conv-1) est donnée par la Figure 5-IV Les courants de référence du convertisseur

(Conv-1) sont générés par le contrôle vectoriel de la GSAP et le captage de la tension du bus

continu.

Figure III.7 : Schéma complet de commande vectorielle de GSAP associé au convertisseur

III.5 L’onduleur MLI

La modulation d’impulsion consiste à adapter une fréquence de commutation supérieure à la

fréquence des grandeurs de sortie et à fermer chaque alternance d’une succession de créneaux

de largeur convenable.


54

Figure III.8 : Le schéma global d’un onduleur à MLI

Tris catégories de MLI en été développées :

la modulation sinus-triangle effectuant la comparaison d’un signale de référence a une

porteuse en générale triangulaire.

Les modulations prés calculé pour lesquelles les angles de commutation sont calculent

hors ligne pour annuler certains composants du spectre.

Les modulations vectorielles dans les angles de commutation sont calcules en ligne.

Dans ce travail on va travailler avec la méthode sinus-triangle qui s’avère la plus adéquate pour la

commande des machines électrique. Elle assure le réglage simultanément de la fréquence et la

tension, et minimiser les oscillations de la vitesse, le couple et le courant [26]:

Elle consiste à calculer la largeur d’une impulsion de manière à obtenir la tension de référence en

moyenne sur une période de commutation. Elle repose sur la génération des signaux de commande

en comparant deux ondes ; la première triangulaire d’amplitude fixe et de fréquence très élevée

(appelée porteuse) ou onde de modulation. Vp , La deuxième sinusoïdale d’amplitude variable et de

fréquence f qui détermine la fréquence de la tension de sortie (appelée référence) Vref Les instants

de commutation sont déterminés par l’intersection de ces deux signaux. Le réglage en amplitude et

en fréquence de la tension de sortie de l’onduleur est défini par le coefficient de réglage en tension

‘r’ (représentant le rapport de l’amplitude de la tension de référence à la valeur crête de la porteuse),

et l’indice de modulation ‘m’ (donnant le rapport des fréquences de la porteuse et de la référence)

[26].

Ou : r =

et m =


55

VA

0V

B0

VC

0V

AB

VB

CV

CA

t

Figure III.9 : les ondes de tension d4un onduleur MLI triphasé [27]

Signaux de référence

Ce sont des signaux déphasé entre eux de 120° et sont caractérisé par l’amplitude de Vref et sa

fréquence f :

{

( )

𝑉 𝑉 𝑠𝑖 ( 𝑡

)

𝑉 𝑉 𝑠𝑖 ( 𝑡

)

(III.15)

La porteuse :

La porteuse est une onde triangulaire qui est caractériser par l’amplitude VP et la frequence fp ,

et d’une fonction données par :

VP={ 𝑉𝑝 𝑝 𝑡𝑝 𝑉𝑝 𝑠𝑖 𝑡𝑝

𝑉𝑝 𝑝 𝑡𝑝 𝑉𝑝

𝑡𝑝 𝑝

(III.16)


56

III.6 Contrôle de la connexion au réseau

III.6.1 Mode de Synchronisation

Pour brancher un alternateur sur le réseau ou le coupler avec un autre alternateur, il faut respecter

les conditions suivantes:

1. la tension de l'alternateur doit être égale à celle du réseau

2. la fréquence de l'alternateur doit être la même que celle du réseau

3. la tension de l'alternateur doit être en phase avec celle du réseau

4. la séquence des phases de l'alternateur doit être la même que celle du réseau

La mise en pratique de ces conditions est appelée Procédure de synchronisation. En agissant sur le

régulateur de vitesse de la turbine, on amène tout d'abord l'alternateur à une vitesse voisine de la

vitesse synchrone, afin que sa fréquence soit proche de celle du réseau.

On règle ensuite l'excitation de façon que la tension induite soit égale à celle du réseau.

III.6.2 Contrôle des courants par la commande du convertisseur de puissance

L’onduleur à MLI est situé entre le bus continu et le transformateur. La REM de l’ensemble du

modèle continu équivalent et de la commande obtenue par inversion de la liaison au réseau est

donné sur la figure V.13.

Figure III.10 : REM du système de commande du convertisseur du côté réseau [17].


57

La topologie du convertisseur permet de générer et également d’appeler un courant provenant du

réseau. L’objectif du convertisseur relié au réseau électrique est de maintenir la tension du bus

continu constante quel que soit l’amplitude et le sens de la puissance.

Le convertisseur coté réseau a été commandé de manière à contrôler les courants transités par le

filtre. Un contrôle vectoriel dans le repère de Park des courants a été réalisé en utilisant un repère

synchronisé avec les tensions du réseau.

A partir de la mesure de la tension du bus continu, le convertisseur est commandé de manière à

imposer des références aux tensions simples selon la relation inverse du modèle continu équivalent

du convertisseur. Cette relation inverse est donnée pour une référence à un point milieu fictif de la

tension du bus continu :

Par réglage de ces deux tensions simples de référence, les composantes de Park des courants

(id, iq ) sont régulées à l’aide d’un correcteur Proportionnel Intégral PI.[17]

III.6.2.1 Contrôle des courants envoyés au réseau :

Le dispositif de commande des courants transités au réseau à été obtenu à partir de l’inversion du

modèle de la liaison au réseau dans le repère de Park. Il comprend trois actions spécifiques :

- Une compensation de la tension au secondaire du transformateur :

𝐿 𝑤 𝑖

𝐿 𝑤 𝑖

- Une action de découplage des courants :

𝑉 𝑉 𝑉

𝑉 𝑉 𝑉

𝑉 𝑉 𝑉

eq-est = f.e.m estimée

Vd-mes = tension mesuré sur l’axe d


58

-Un contrôle en boucle fermée des courants :

( ) (III.18)

( )

Ci : le contrôleur de courant

Figure III.11 : Schéma du découplage entre les courants transités au réseau

III.6.2.2 Régulation des puissances

Le dispositif de commande précédemment expliqué permet d’imposer égaux les courants transités à

leurs références. Cela entraîne les puissances actives et reactive transitées suivantes :

𝑃 𝑉 𝑖 𝑉 𝑖

𝑉 𝑖 𝑉 𝑖 (III.19)

Par inversion des relations il est alors possible d’imposer des références pour la puissance active et

réactive en imposant les courants de référence suivants :


59

𝑖

(III.20)

𝑖

(III.21)

La composante directe du courant est utilisée pour réguler la tension du bus continu. Ce dernier est

contrôlé à l’aide d’un régulateur (PI). La composante en quadrature est utilisée pour réguler la

puissance réactive transitée. Un contrôle indépendant des puissances active et réactive circulant

entre le convertisseur et le réseau sera expliqué. Le système de commande doit permettre de

maintenir constante la tension du bus continu, et d’obtenir des courants sinusoïdaux au primaire du

transformateur d’amplitude et de fréquence identiques à celles du réseau. Une puissance réactive

nulle peut alors être imposée (Qref=0).

Conclusion

Après qu’on a partagé les éléments de la chaine de conversion ; on a adopté chaque dispositif a la

loi de commande la plus adéquate pour notre chaine de production.

Une commande en couple qui s’avère la plus fiable pour ce type de système ; la commande

vectoriel pour la (GSAP) ; la commande MLI sinus-triangle ;et le contrôle des courant et puissance

envoyer au réseau .

Simulation de la chaine de conversion éolienne

CHAPITRE IV



61

CHAPITRE IV: Simulation de la chaine de conversion éolienne

IV.1 Introduction :

Dans ce dernier chapitre on apporte notre contribution a l’étude d’une simulation grâce au logiciel

MATLAB/SIMULINK ; toute la chaine de conversion éolienne sera traitée afin de confirmer le

bon fonctionnement du système proposés.

Les caractéristiques de la chaine de conversion utilise dans la simulation sont :

On considère une machine synchrone à aimant permanent aux caractéristiques suivantes: 16 kW,

400 V, 50 Hz.

Caractéristiques électriques standards Rs=0.645Ω ; L1=0.02228 (H) ; Lmd=0.05297.0 (H) ;

Lmd=0.02518 ; J=0.1278 (kgm2) ; f=0.013 ; P=8

Réactance de liaison avec le réseau BT: 10_4

H.

On choisit une éolienne à 3 pâles aux caractéristiques suivantes:

▪ Puissance nominale: PN=8.1 KW

▪ Rayon des pâles: R=2.245 m.

Le maximum de puissance reçue par l’éolienne est atteint pour λmax=8.1 qui donne CPmax=0.48

(Maximum inférieur à la limite théorique de Betz).

Les courbes de puissance seront représentées dans le graphique ci-dessous pour 03 valeurs

significatives de vitesse de vent.

Figure IV.1 : Courbes de puissance en fonction de la vitesse du vent


62

D’après ces caractéristiques, il s’avère que :

▪ A une vitesse du vent de 12 m/s, la puissance maximale est égale à la puissance nominale atteinte

à la vitesse de rotation de l’éolienne de valeur 1.38 p.u., (Fig. 6).

▪ A une vitesse du vent de 8.9 m/s, la puissance maximale est égale à 0.40 p.u. atteinte à la vitesse

de rotation nominale.

▪ A une vitesse du vent d’environ 5.2 m/s, l’éolienne cesse de fonctionner lorsque la vitesse est

égale à la vitesse nominale (le cas du raccordement direct), mais le maximum est atteint à la vitesse

de 0.6 p.u.

La distribution de Weibull caractérise statistiquement le profil de la vitesse du vent:

Figure IV.2 : Distribution de Weibull

Avec des paramètres C= 9.3 m/ s et K=1.8. On obtient les résultats suivants

-Vitesse moyenne de vent: 8.3 m/s, F(5,2) = 0.30.

Le modèle du système est présenté dans la figure suivante :


63

Figure IV.3: model Simulink de la chaine de conversion


64

IV.2 Résultats de la simulation :

On considère un profil des vitesses du vent comme suit:

Figure IV.4 : Profil du vent appliqué

La caractéristique de la turbine (𝐶𝑝=(𝜆) :

Figure IV.5 : Courbe de Coefficient de puissance CP (λ)

Sur cette figure On remarque que la vitesse spécifique est maintenue à sa valeur optimale grâce à

l’algorithme de maximisation de puissance.

Cette caractéristique dépasse la limite de Betz du à l’approximation polynomiale du coefficient de

puissance.


65

Figure IV.6 : Variation de la vitesse spécifique (TSR)

Figure IV.7 : Allure des courants issus de la génératrice


66

Figure IV.8 : Zoom sur les courants issus de la génératrice

Figure IV.9 : Zoom sur les tensions issues de la génératrice


67

Figure IV.10 : Tension du bus continu

Figure IV.11 : Zoom sur la tension du bus continu


68

Figure VI.12 : Zoom sur les tensions envoyées au réseau

IV.3 Interprétations :

Sur la (Figure VI.6) on remarque que la vitesse spécifique est maintenue à sa valeur optimale grâce

à l’algorithme de maximisation de puissance.

La Figures (VI.7) représente les courants issus de la génératrice ; il est à remarquer sur les zooms

(a) et (b) l’augmentation du courant suite à l’augmentation de la vitesse du vent (Figure IV.8) et

même chose pour les tensions sur les zooms (c) et (d) (Figure IV.9). Plus la vitesse du vent est plus

importante plus la tension issue de la génératrice est grande. Cependant pour les tensions et les

courants aux bornes du filtre arrivent à suivre la fréquence du réseau (Figure VI.12). La tension aux

bornes du bus continu (Figure VI.10) est maintenue à sa valeur nominale.

Conclusion générale

69

L’objectif de ce travail est d’apporter une contribution à l’étude de systèmes de commande d’une

éolienne reliée au réseau, ainsi notre choix s’est porté sur une structure à vitesse variable à base

d’une génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP), et ce en concevant un système qui

respecte les conditions de simplicité d’architecture, de coût, de performance et plus particulièrement

du rendement énergétiques.

Pour cela, nous avons pris pour objectif l’étude et la simulation d’une chaine de conversion

éolienne constituée d’une turbine de moyenne puissance associée à une génératrice synchrone à

aimants permanents connectée au réseau électrique MT. Cet ensemble de conversion de l’énergie

éolienne est complété par un dispositif d’électronique de puissance afin de transmettre l’énergie

électrique produite vers le réseau. Cette étude est complétée par la mise en place des stratégies de

commande nécessaires au bon fonctionnement de chaque partie.

Le premier CHAPITRE traite des généralités sur l’énergie éolienne en rendant compte de

l’état de l’art actuel sur l’exploitation mondiale de ce créneau énergétique. Nous avons également

traité les lois fondamentales permettant la conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique.

Une comparaison entre les éoliennes à vitesse variable et les éoliennes à vitesse fixe nous a permis

de choisir un système à vitesse variable. Puis la comparaison entre les différentes génératrices

utilisées dans ce domaine nous a permis de choisir un système basé sur une machine synchrone à

aimants permanents GSAP.

Dans le CHAPITRE II, nous avons donné la structure de la chaine de conversion éolienne ;

puis un modèle mathématique de chaque élément a été présenté. Aussi nous avons tiré la puissance

extraite d’une éolienne ainsi que son modèle dynamique et le modèle électrique des hacheurs buck

et boost .

Le CHAPITRE III, présente la partie commande avec une commande MPPT en couple afin

de déterminer la vitesse spécifique optimale se servant des caractéristiques de l’éolienne.

Une commande MLI pour l’onduleur a été implanté afin d’avoir des ondes de courant et de tension

en triphasé sinusoïdale convenable et propre pour injecter au réseau. Les éoliennes doivent répondre

à certaines règles pour satisfaire aux exigences techniques de raccordement au réseau pour cela,

différents composants sont installés lors de la connexion de l'éolienne:

Pour le CHAPITRE IV Notre approche pour la simulation du contrôle de la chaine éolienne

s’avère satisfaisant du point de vue de la convergence et de la stabilité .La méthode proposée donne

des résultats de simulation qui garantissent une production sans interruption de l’énergie électrique,

même pour des vitesses de vent faibles.

En effet, les tensions au borne du filtre du couplage au réseau sont d’une parfaite sinusoïde

et l’utilisation du redresseur à diodes et du hacheur buck confère à notre dispositif un caractère

fiable et bon marché. Il n’empêche que l’adoption des caractéristiques électriques standards, aussi

bien de la génératrice que des composants de puissance soit source de dissipation considérable

d’énergie en relation directe avec la quantité de puissance récupérée.

Toutefois bien d’autres questions méritent d’être abordées. Ces questions pourraient constituer des

perspectives pour enrichir ce travail.

Conclusion générale

70

Nous pouvons citer à titre d’exemple :

Autres commandes de la vitesse comme la commande robuste, __, logique

Floue…etc

Utiliser des régulateurs de type fractionnaire à la place des régulateurs entiers.

L’utilisation d’un onduleur multi niveaux afin d’éliminer plus d’harmoniques.

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Énergétique Éolien par Simulation Numérique et Contribution à la Réactualisation de l’Atlas

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Nationale Supérieur d’Arts et Métiers,

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[13] A. Teninge ; « participation aux services système de parcs éoliens mixtes : application

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[17] B. Boukhezzar, << Les stratégies de commande pour l’optimisation et la régulation de

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[24] Adam MIRECKI, «Etude comparative de chaînes de conversion d’énergie dédiées à une

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[28] Mme HAMECHA Samira, Ep.BOUREKACHE « Etude et Commande d’une Eolienne à

base d’une Machine Synchrone à Aimants Permanents »


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Département : Électromécanique MÉMOIREbiblio.univ-annaba.dz/ingeniorat/wp-content/uploads/2018/03/Ziraoui... · machine synchrone, comportant un premier dispositif alternatif/continu