Mémoire de Magister -...
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N° Ordre........../FHC/UMBB/2012
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE M’HAMED BOUGARA-BOUMERDES
Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie
Mémoire de Magister
Présenté par
Bouaraki Mouloud
Filière : Génie électrique Option : Equipements Electriques Industriels
Etude d’un entrainement à double alimentation pour turbine éolienne à vitesse variable : Application sur un site
à TINDOUF
Devant le jury : Mr Refoufi Larbi Prof UMBB Président Mr Kesraoui Mohamed MC/A UMBB Rapporteur Mr Bentarzi Hamid MC/A UMBB Examinateur Mr Hasni Mourad MC/A USTHB Examinateur Mme Acheli Dalila MC/A UMBB Examinateur
Année Universitaire : 2011/2012
A toute ma famille, pour son soutien moral, Je dédie ce modeste travail…
Dédicace
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier vivement mon promoteur Mr KESRAOUI Mohamed
pour l'aide qu'il m'a apporté, ses précieux conseils et ainsi pour sa sympathie durant tout le
déroulement de ce travail.
Je remercie aussi tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail
et leur exprime ma profonde gratitude.
Je remercie bien évidement ma mère, à qui je dédie ce travail. Elle m’a non seulement
encouragé et supporté tout au long de mes études mais dans toutes les sphères de ma vie.
Je voudrais aussi remercier ma femme qui m’a soutenu tout au long de la préparation
de ce mémoire, mes frères, mes sœurs qui m’ont encouragé pendant toutes les phases de mes
études, je remercie aussi mes beaux frères, mes belles sœurs, mes neveux et mes nièces.
Je remercie tous mes enseignants et tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à
l’aboutissement de ce travail.
ملخص
تهدف هذه المذآرة من جهة إلى الدراسة والتحكم في المحرك الالتزامني ذات تزويد مضاعف مدمج في ناعورة هوائية و لنظام هوائي هجين في منطقة تندوف، لقد عرضنا في األول ما خص به اقتصاديمن جهة أخرى تصميم و استمثال تقني
ائية في المضمار، ثم انتقلنا بعد ذلك إلى دراسة و إعطاء نظام رياضي لكل من المحرك الالتزامني الباحثون المولدات الهوذات تزويد مضاعف والناعورة الهوائية، عرضنا أيضا التحكم الشعاعي بالقدرة الفعالة و قدرة رد الفعل للساآن للمحرك
البرنامج مطالب، و في الفقرة األخيرة لهذه باستعمالاآاة مضاعف في النظام الهوائي، متبوعة بمح الالتزامني ذات تزويدهجين يغذي بالطاقة الكهربائية قرية معزولة في ريحي المذآرة عرضنا القدرة الريحية لوطننا، متبوعة بتصميم نظام
منطقة تندوف، وباستعمال برنامج هومر درسنا اإلمكانية واالستمثال التقني االقتصادي لهذا النظامالمحرك الالتزامني ذات تزويد مضاعف، نظام رياضي، تحكم الشعاعي، أنظمة هجينة، محول:مفتاحيهت آلما
Résumé :
Ce mémoire a pour objectif d’une part l’étude et la commande d’une génératrice asynchrone à double alimentation(MADA) intégrée dans un système éolien et d’autre part le dimensionnement et l’optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf. Nous avons présenté en premier lieu un état de l’art sur les aérogénérateurs, l’étude et la modélisation de la MADA ont aussi été présentés, suivi par l’étude et la modélisation de la partie mécanique de l’éolienne. Nous avons aussi présenté la commande vectorielle en puissances actives et réactives statoriques de la MADA intégrée dans un système éolien, ainsi que sa simulation en utilisant le logiciel Matlab Simulink. Dans la dernière partie de notre mémoire, nous avons présenté le potentiel éolien de notre pays, suivi par le dimensionnement d’un système éolien hybride alimentant en énergie électrique un village isolé dans la région de Tindouf. A l’aide du logiciel Homer, nous avons étudié la faisabilité et l’optimisation technico-économique du système complet. Mots clés : Aérogénérateur, modélisation, machine asynchrone à double alimentation (MADA), commande vectorielle, convertisseur, systèmes hybrides, dimensionnement. Abstract: The purpose of this thesis is in one hand, the study and the control of doubly fed induction generator (DFIG) integrated in a wind energy conversion system (WECS). In the other hand the system sizing in addition to a technical and economic optimization of a wind hybrid electricity supply system for an isolated village inTindouf in the south west of Algeria have been performed. Initially the state of art of the wind energy conversion systems has been given. After that the study and modeling of the DFIG are then presented, followed by study and modeling of the mechanical part of the WECS. Active and reactive powers vector control of the DFIG based WECS is applied and simulated using Matlab/Simulink. Finally Algeria’s wind potential, followed by a detailed sizing of a wind hybrid electricity supply system using meteorological data of an isolated village in Tindouf are presented. Homer software has been used to perform the technical and economic optimization study of the hybrid system in order to choose which the best feasible system for that location. Keywords: Wind Energy Conversion system, converter, doubly fed induction generator (DFIG), Field oriented control, System sizing, Hybrid systems.
Sommaire Notation 8
Introduction générale 1
1 Généralités Sur Les Aérogénérateurs 4
1.1 Introduction 4
1.2 D’où vient le vent ....................................................................................................... 4 1.3 Développement de l’énergie éolienne .............................................................................. 5 1.4 Taille des éoliennes .................................................................................................... 5 1.5 Les différents types des éoliennes ..................................................................................... 6
1.5.1 Les éoliennes à axe vertical 6 1.5.2 Les éoliennes à axe Horizontal 7
1.6 Emplacement des parcs éoliens .................................................................................. 8 1.7 Etat de l’art des WECS ..................................................................................................... 9
1.7.1 Systèmes utilisant les machines asynchrones 9 1.7.1.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil. 10 1.7.1.2 Machine asynchrone à double stator 11
1.7.1.3 Machine asynchrone connectée au réseau par l'intermédiaire d'une interface d'électronique de puissance 12
1.7.1.4 Machine à double alimentation de stator avec rotor à cage 12 1.7.1.5 Machine asynchrone à double alimentation type "rotor bobiné" 13 a. Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée 14 b. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Kramer 15 c. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Scherbius avec cycloconvertisseur 16 d. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Scherbius avec convertisseurs MLI. 16
1.7.2 Systèmes utilisant les machines synchrones 17 1.7.2.1 Machine synchrone à rotor bobiné ou à aimants 18 1.7.2.2 Machine synchrone à aimants permanents discoïde 19
1.8 Conclusion ...................................................................................................................... 19 2. Etude de la partie mécanique de l’éolienne 21
2.1 Introduction .............................................................................................................. 21 2.2 Principaux composants d’une éolienne .................................................................... 22
2.2.1 La tour 22 2.2.2 La nacelle 23 2.2.3 Le Rotor 23 2.2.4 Un multiplicateur de vitesse 24 2.2.5 Le système contrôle commande de l'éolienne 25 2.2.6 Le système de refroidissement 26
2.3 Sécurité des éoliennes .............................................................................................. 26 2.4 Impacts des sites éoliens sur l’environnement ............................................................... 26
2.4.1 La dégradation du paysage 26
2.4.2 Les nuisances sonores 26 2.4.3 Les problèmes ornithologiques 27
2.5 La modélisation ............................................................................................................. 27 2.5.1 La surface balayée par le rotor 27 2.5.2 La densité de l'air 28
2.5.4 Puissance récupérable par une turbine ................................................................... 28 2.5.5 Modèle du Multiplicateur : ........................................................................................ 30 2.6 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne ................................................ 32
2.6.1 Le système « pitch » 33 2.6.2 Le système « stall » ou « à décrochage aérodynamique » 34
2.7 Conclusion ...................................................................................................................... 35 3. Etude et Modélisation de la machine asynchrone à double alimentation. 37
3.1 Introduction 37
3.2 Structure de la machine : 38
3.3 Application des machines asynchrones à double alimentation 39
3.4 Modes de fonctionnement de la machine à double alimentation : 40
3.4.1 Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone. ..................................................... 41 3.4.2 Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone. .................................................... 41 3.4.3 Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone. .............................................. 41 3.4.4Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone. ..................................................... 41
3.5 Avantages et inconvénients de la MADA 42
3.5.1. Avantages de la MADA ............................................................................................ 42 3.5.2 Inconvénients de la MADA : ..................................................................................... 43
3.6 Modèle de la machine asynchrone à double alimentation (MADA) dans le 43
3.6.1 Modèle dynamique d’une machine asynchrone à double alimentation. ................... 43 3.6.2 .Hypothèses simplificatrices : ..................................................................................... 44 3.6.3 Équations électriques de la machine ........................................................................... 45 3.6.4 Équation mécanique de la machine ............................................................................ 47
3.7 Modèle de la machine asynchrone a double alimentation (MADA) dans le 47
3.7.1 La transformation de Park .......................................................................................... 47 3.7.2 Matrices de passage .................................................................................................... 48 3.7.3 Équation des tensions .................................................................................................. 49 3.7.4 Choix du référentiel ..................................................................................................... 50 3.7.5 Équations des flux ....................................................................................................... 51
3.8 Mise sous forme d’équations d’état 51
3.9 Conclusion 53 4. La Commande des puissances active et réactive de la MADA intégrée dans système éolien
54
4.1 Introduction .................................................................................................................... 54 4.2 Principe de la commande vectorielle ............................................................................. 55 4.3 Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique : ............................................ 56
4.3.1 Choix du référentiel pour le modèle diphasé 56 4.3.2 Relation entre le courant statorique et le courant rotorique 59 4.3.3 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques 59 4.3.4 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques 60
4.4 Commande de la MADA ................................................................................................. 62 4.4.1 Mise en place de la régulation 62 4.4.2 Synthèse de régulateur PI 63
4.5 Prise en compte de l'onduleur côté rotor ....................................................................... 66 4.6 Modulation de largeur d’impulsion MLI ....................................................................... 67 4.7. Convertisseur coté réseau ............................................................................................. 67 4.8 Intégration de la MADA dans un système éolien ........................................................... 68 4.9 Simulation du système .................................................................................................... 69 4.10 Interprétation des résultats .......................................................................................... 73 4.11 Conclusion ................................................................................................................... 74
5. Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride
appliqué sur la région de Tindouf 75
5.1 Introduction .................................................................................................................... 75 5.2 La carte des Vents de L’Algérie ..................................................................................... 77 5.3 La vitesse moyenne saisonnière du vent en Algérie ....................................................... 78 5.4 Evolution de l’éolien dans les sites isolés ...................................................................... 79
5.4.1 Taux de Pénétration du Vent 80 5.4.2 Systèmes Hybrides avec Technologie Eolienne 82 5.4.3 Systèmes Hybrides Wind-Diesel 83
5.5 Le choix et les caractéristiques du village à alimenter ................................................. 84 5.6 Présentation du logiciel HOMER ................................................................................. 84 5.7 Application d’un système éolien/diesel sur le site de Tindouf ....................................... 85
5.7.1 Détails de la charge 86 7.5.2 Détails des composants 87 5.7.3 Détails des ressources 88 5.7.4 Détails économiques 89 5.7.5 Les contraintes du système 89 5.7.6 Simulation du système sans groupe électrogène 90 5.7.7 Optimisation et Simulation du système hybride éolien/diesel 92 5.7.8 Interprétation et discussion des résultats 94
5.8 Comparaison entre systèmes isolés (stand alone) et l’extension du réseau .............. 104 5.9 Etude de la sensibilité avec la variation du vitesse du vent /prix du diesel ................ 105 5.10 Conclusion .................................................................................................................. 107
Conclusion Générale et perspectives 108
Références 110
Annexe 113
Notat
MADA
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Notation
Introduction générale
L'intense industrialisation des dernières décennies et la multiplication des
appareils domestiques électriques ont conduit à des besoins planétaires considérables en
énergie électrique. Face à cette demande, toujours croissante de nos jours, les pays
industrialisés ont massivement fait appel aux centrales nucléaires. Cette source d'énergie
présente l'avantage indéniable de ne pas engendrer de pollution atmosphérique
contrairement aux centrales thermiques, mais le risque d'accident nucléaire, le traitement
et l'enfouissement des déchets sont des problèmes bien réels qui rendent cette énergie
peu attractive pour les générations futures , l’accident de Tchernobyl et le séisme de
Fukushima au Japon sont deux exemples des risques qui peuvent être engendrés par cette
énergie . Pour faire face à ces différents problèmes, les pays se tournent de plus en plus
vers l’utilisation de sources d’énergies propres et renouvelables. En effet, ces pays se sont
engagés, à moyen terme, à augmenter dans leur production d’énergie électrique la part
d’énergie d’origine renouvelable.
Parmi ces sources d’énergies renouvelables, l’énergie éolienne est celle qui a le
potentiel énergétique le plus important. La puissance des éoliennes installées dans le
monde augmentant de plus en plus tous les ans, les systèmes éoliens ne peuvent plus se
comporter comme uniquement des générateurs de puissance active dans les réseaux de
distribution ou de transport, selon la puissance installée. En effet, ils seront certainement
amenés, à court terme, à fournir des services systèmes (compensation de la puissance réactive
par exemple) comme les alternateurs de centrales classiques et/ou à participer à
l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique (filtrage des courants harmoniques en
particulier).
Actuellement, le système éolien à vitesse variable basé sur la Machine
Asynchrone à Double Alimentation (MADA) est le plus utilisé dans les fermes
éoliennes terrestres. Son principal avantage, et non des moindres, est d’avoir ses
convertisseurs statiques triphasés dimensionnés pour une partie de la puissance
nominale de la MADA, ce qui en fait un bénéfice économique important par rapport à
d’autres solutions possibles de conversion électromécanique (machine synchrone à
Introduction Générale
2
aimants permanents par exemple). En effet, la MADA permet un fonctionnement sur une
plage de vitesse de ± 30 % autour de la vitesse de synchronisme, garantissant ainsi
dimensionnement réduit des convertisseurs statiques car ceux-ci sont connectés entre le
bobinage rotorique de la MADA et le réseau électrique.
Le présent mémoire décrit les différents systèmes éoliens existants dans la littérature
et présente une étude sur l’utilisation de la machine asynchrone à double alimentation
pour des fortes puissances, pilotée à travers les grandeurs rotoriques, intégrée dans un
système éolien, suivi par le dimensionnement et l’optimisation technico-économique d’un
système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf.
La présentation de ces travaux est organisée en cinq chapitres détaillés ci-après.
Dans le premier chapitre nous allons présenter un état de l'art sur la conversion
électromécanique à travers les différents types de génératrices utilisées et les convertisseurs
qui leur sont associés. Nous allons montrer les caractéristiques de chaque système, ainsi
l’intérêt que présente la machine asynchrone à double alimentation par rapport à d’autres
machines utilisée dans les systèmes de conversion éoliens.
Dans le deuxième chapitre, nous allons étudier la partie mécanique de la turbine
éolienne, nous présenterons ses éléments constitutifs, ensuite nous parlerons sur la puissance
récupérable de vent, et nous modéliserons la turbine, en dernier les différents modes de
réglage mécanique de puissance de la turbine seront discutés.
Dans le troisième chapitre, nous présenterons des généralités sur la MADA, ses
applications, ses variantes de fonctionnement et ses avantages. Ainsi la modélisation de la
MADA en faisant appel à la transformée de Park.
Le quatrième chapitre sera consacré à la commande vectorielle en puissance active et
réactive statorique de la machine asynchrone à double alimentation intégrée dans un
système éolien. Le stator de la MADA est alimenté par une source triphasée et le rotor est
connecté à un onduleur triphasé. L’alimentation continue de l’onduleur est supposée
constante, Les résultas de simulation par Matlab/Simulink seront présentés.
Le dernier chapitre présente le dimensionnement et l’optimisation technico-
économique d’un système éolien hybride alimentant un village isolé dans la région de
Tindouf, dans cette partie nous allons présenter la carte du vent d’Algérie, et les vitesses
Introduction Générale
3
moyennes mensuelles de chaque région du pays , suivi par des notions sur les systèmes
hybrides, et afin d’étudier la faisabilité technico-économique de notre système hybride, nous
allons fait appel au logiciel de modélisation énergétique HOMER (Hybrid Optimisation
Model for Electric Renewables) qui est un outil puissant pour la conception et l'analyse des
systèmes de production d'électricité hybrides.
Les résultats obtenus dans ces investigations nous permettront de conclure sur les
méthodes et outils utilisés et d'envisager les perspectives et suites à donner à ce travail.
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
4
Chapitre 1
Généralités Sur Les Aérogénérateurs
1 Généralités Sur Les Aérogénérateurs 1.1 Introduction
Depuis longtemps, l’homme utilise l’énergie éolienne, au début, elle a été utilisée pour
faire avancer les bateaux, moudre du grain ou pomper de l’eau. Par la suite pendant plusieurs
décennies l’énergie éolienne a servi à produire de l’énergie électrique, que ce soit à l’échelle
individuelle avec le petit éolien ou à grande échelle avec le grand éolien, l’énergie du vent
peut contribuer à diversifier la production d’énergie électrique, en outre, l’énergie éolienne est
une énergie propre, renouvelable qui peut pallier aux problèmes environnementaux.
Plusieurs technologies sont utilisées pour capter l'énergie du vent (capteur à axe vertical ou à
axe horizontal) et les structures des capteurs sont de plus en plus performantes.
Dans ce chapitre, nous allons présenter des rappels sur les systèmes éoliens à travers
les équations et les concepts physiques régissant leur fonctionnement, suivis d’un état de l’art
des différentes configurations possibles des systèmes éoliens et les convertisseurs qui leur
sont associés
1.2 D’où vient le vent La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû
indirectement à l’ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de la
planète et le refroidissement d’autres, une différence de pression est créée et les masses d’air
sont en perpétuel déplacement. L’énergie éolienne est l’une des plus anciennes sources
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
5
d’énergie, Cette énergie propre et renouvelable, elle est utilisée depuis plus de 3000 ans [1],
elle est utilisée pour la production d’électricité depuis 100 ans [4].
Les avantages que présente cette énergie la rend très attractive nos jours vu les problèmes
environnementaux qui peuvent être engendrés par d’autres sources d’énergie.
1.3 Développement de l’énergie éolienne La demande croissante en énergie électrique dans le monde, le problème du
réchauffement climatique et les émissions de gaz à effet de serre sont des facteurs qui ont fait
de l’énergie éolienne une source d’énergie alternative et durable ,la comparant avec d’autres
sources d’énergie ,l’énergie éolienne est renouvelable et produit une énergie propre , elle est
devenue un moyen trop important dans la production de l’énergie électrique dans plusieurs
pays ,l’électricité produite par l’énergie éolienne ces dernières années s’est considérablement
développée de manière très remarquable , La capacité mondiale a atteint 159 213 MW, dont
38 312 MW ajoutés en 2009 avec un taux de croissance de 31,7 % ,L'ensemble des éoliennes
installées fin 2009 dans le Monde produit 340 TW.h par an, l'équivalent de la demande totale
en électricité de l'Italie, septième plus importante économie mondiale, et égale 2 % de la
consommation électrique mondiale. [30].
Fig 1.1 Evolution des puissances éoliennes installées dans le monde en MW [30]
1.4 Taille des éoliennes
Afin de répondre à la demande croissante de l’énergie électrique, les constructeurs et
les chercheurs ont met le point sur la taille des éoliennes, et cela pour pouvoir utiliser le
maximum de la force du vent, tout en cherchant à ce que l’hélice balaie une surface ou le vent
est maximum. La figure suivante présente la taille des hélices en m et puissance en KW qu’on
peut trouver sur le marché des éoliennes. Actuellement les grandes éoliennes commercialisées
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
6
possèdent une hélice de plus de 100m, donc elle est perchée en haut à plus de 100m de
hauteur pour produire 4.5 MW. [31]
Fig.1.2 : Taille des hélices en m et puissances en KW [29]
1.5 Les différents types des éoliennes
Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : les éoliennes à axe vertical qui
tendent à disparaître, les éoliennes à axe horizontal utilisées surtout pour le pompage et la
production d’énergie électrique.
1.5.1 Les éoliennes à axe vertical
Ce type d’éoliennes est très peu répandu, les éoliennes à axe vertical ont été les
premières à être utilisées pour la production d’électricité.
Il présente l’avantage de ne pas nécessiter de système d’orientation des pales et de posséder
tous les organes de commande, le multiplicateur et le générateur au niveau du sol donc
facilement accessibles, ce que facilite les interventions de maintenance. En revanche,
certaines de ces éoliennes doivent être entraînées au démarrage et le mat, souvent très lourd,
subit de fortes contraintes mécaniques poussant ainsi les constructeurs à pratiquement
abandonner ces aérogénérateurs (sauf pour les très faibles puissances) au profit d’éoliennes à
axe horizontal [14] de plus , la présence du capteur d'énergie près du sol l'expose aux
turbulences et au gradient de vent ce qui réduit son efficacité. Elles sont de plus exposées à
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
7
des problèmes d'aéroélasticité dus aux fortes contraintes qu'elles subissent [20], ce qui
concerne leur implantation, elles occupent une surface très importante ce qui représente un
grand inconvénient surtout dans les sites agricoles.
Les principaux capteurs à axe vertical sont le rotor de Savonius et le rotor de Darrieus.
• Le rotor de Savonius : (du nom de son inventeur, breveté en 1925) :Le rotor de
Savonius dont le fonctionnement est basé sur le principe de "traînée différentielle"
utilisé dans les anémomètres : les efforts exercés par le vent sur chacune des faces d'un
corps creux sont d'intensité différente, il en résulte alors un couple moteur entraînant
la rotation de l'ensemble. L'effet est ici renforcé par la circulation d'air entre deux
demi-cylindres qui augmente le couple moteur
• Le rotor de Darrieus : inventé par l’académicien français Darrieus au cours des années
1925 – 1935 repose sur l’effet de la portance d’un profil soumis à l’action d’un vent
relatif, il existe quatre types de rotors de Darrieus : le rotor cylindrique, le rotor
tronconique, le rotor à variation cyclique et le rotor parabolique [13].
1.5.2 Les éoliennes à axe Horizontal
Les éoliennes à axe horizontal sont les plus répandues actuellement, Les différentes
constructions des aérogénérateurs utilisent les voilures à deux, trois pales qui sont les plus
courantes et les multipales. La caractéristique de puissance Cp(λ) dépend principalement du
nombre de pales .à dimension d’hélice identique, les éoliennes à axe horizontal produisent
plus de puissance par rapport aux éoliennes à axe vertical.
Ces capteurs à axe horizontal occupent une surface au sol très réduite, par rapport aux
capteurs à axe vertical, seule la tour qui occupe de la place au sol et regroupe tous les
systèmes de raccordement, de plus leur efficacité énergétique est beaucoup meilleure [4]. La
voilure peut être placée avant la nacelle (upwind) et alors un système mécanique d’orientation
de la surface active de l’éolienne « face au vent » est nécessaire. Une autre solution qui
permet d’alléger la construction par la suppression de toute mécanique d’orientation est
l’emplacement de la turbine derrière la nacelle (downwind). Dans ce cas la turbine se place
automatiquement face au vent. Les éoliennes de ce type sont assez rares car
des vibrations importantes sont à noter qui sont dues au passage des pales derrière le mat. La
Figure 1-3 montre les deux procédés.
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
8
Le Tableau 1.1 présente une classification des turbines éoliennes selon leur puissance délivrée :
Tableau 1.1 : Classification des turbines éoliennes.
1.6 Emplacement des parcs éoliens Le vent est un phénomène aléatoire, sa vitesse varie d’une journée à une autre, d’une
saison à une autre, et d’une région à une autre. Cela est dû aux phénomènes thermiques liés au
rayonnement solaire. , la vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant la
journée à partir du lever de soleil [11].les variations mensuelles et saisonnières de la vitesse
du vent dépendent du lieu géographique et sont différentes d’un site à un autre.
Le choix de l’emplacement des parcs est basé donc sur la recherche des sites la ou il y a un
niveau du vent suffisant tout au long de l’année pour permettre une production maximale,
généralement les cotes, les bords de mers, et les plateaux offrent des caractéristiques
intéressantes pour l’emplacement des aérogénérateurs .cependant une question qui se pose
dont il faut tenir compte est celle de l’impact de ces parcs sur le paysage, l’éolien offshore
semble une solution.
L’éolien offshore, semble une solution pour éviter la dégradation du paysage causée
par l’installation des parcs éoliens onshore, l’éolien offshore offre aussi des conditions très
intéressantes en terme du vent. La première ferme offshore mise en service était en 1991 en
mer baltique sur les cotes de Danemark, actuellement l’éolien offshore s’est largement
Echelle Diamètre de l'hélice Puissance délivrée
Petite moins de 12 m moins de 40 kW
Moyenne 12 m à 45 m de 40 kW à 999 kW
Grande 46 m et plus 1MW et plus
Figure 1.3 : Eolienne face au Vent Eolienne sous le Vent
V V
Upwind Downwind
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
9
développé, World Wind Energy Association estime que la puissance totale offshore installée
en Europe en 2020 atteint 40GW.
Pour la réalisation de ces fermes éoliennes, en proche offshore, les mâts sont montés
sur des fondations ancrées dans le fond, mais lorsque l’on s’éloigne des côtes, il devient
difficilement concevable de conserver ces moyens. C’est ainsi que s’est développé le concept
d’offshore flottant, issu de la technologie des plates-formes pétrolières [19].
Figure 1.4 La première ferme éolienne offshore : 11 X 450 kW (1991, Vindeby) [19]
1.7 Etat de l’art des WECS
1.7.1 Systèmes utilisant les machines asynchrones Les machines électriques asynchrones sont les plus simples et les moins coûteuses.
Elles ont l’avantage d’être standardisées, fabriquées en grande quantité et dans une très
grande échelle des puissances. Elles sont aussi les moins exigeantes en terme d’entretien et
présentent un taux de défaillance très peu élevé [18], En fait, un tiers de la consommation
mondiale d'électricité est utilisé pour faire fonctionner des moteurs à induction qui actionnent
des machines, pompes, ventilateurs, compresseurs, ascenseurs et d'autres types d'équipement
requérant la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique.
Pour produire de l’énergie, cette machine doit être magnétisée, cette magnétisation peut être
fournie soit par des condensateurs connectés en parallèle avec les enroulements statoriques
soit par le réseau.
Lorsque la machine asynchrone connectée au réseau, elle ne produit que lorsque sa
vitesse de rotation est légèrement supérieure à sa vitesse de synchronisme, dans le cas de la
caractéristique ci-dessous, la génératrice devra garder une vitesse comprise entre 1500 et 1600
tr/min
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
10
Figure 1-5 : Caractéristique couple/vitesse d'une machine asynchrone à 2 paires de pôles [21].
1.7.1.1 Machine asynchrone à cage d'écureuil.
Contrairement aux autres moyens traditionnels de production d'énergie électrique où
l'alternateur synchrone est largement utilisé, c'est la génératrice asynchrone à cage d'écureuil
qui équipe actuellement une grande partie des éoliennes installées dans le monde. Ce type de
génératrice n'est en fait que très rarement utilisé, sauf dans l'industrie éolienne et dans les
petites centrales hydrauliques. Le dispositif le plus simple et le plus couramment utilisé
consiste à coupler mécaniquement le rotor de la machine asynchrone à l'arbre de transmission
de l'aérogénérateur par l'intermédiaire du multiplicateur de vitesse et à connecter directement
le stator de la machine au réseau (Figure 1-6). La machine a un nombre de paire de pôles fixe
et doit donc fonctionner sur une plage de vitesse très limitée (glissement inférieur à 2%).le
grand avantage de ce type est sa simplicité et le sa robustesse , aucune interface entre le stator
et le réseau et pas de contacts glissants ce qui permet de limiter la maintenance. Cependant ce
type est toutefois consommateur d'énergie réactive nécessaire à la magnétisation du rotor de la
machine, ce qui détériore le facteur de puissance global du réseau. Ce dernier peut être
amélioré par l'adjonction de capacités représentées sur la Figure 1-6 qui deviennent la seule
source de puissance réactive dans le cas d'un fonctionnement autonome de l'éolienne.
Le système fonctionne à une vitesse fixe. Il n'exploite pas la totalité de la
puissance théoriquement disponible pour les vitesses de vent élevées .De plus les variations
du couple mécanique sont fréquentes puisque le système d'orientation des pales est souvent en
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
11
action pour pallier aux variations de vitesse du vent. Ce qui affecte le rendement de
l’aérogénérateur.
Figure 1-6 : Connexion directe d’une machine asynchrone sur le réseau
1.7.1.2 Machine asynchrone à double stator Pour améliorer le système décrit ci-dessus, certains aérogénérateurs sont équipés
d’une machine asynchrone à double stator (Figure 1-7), cad deux enroulements statoriques,
l’un conçu pour les faibles vitesses du vent à grand nombre pair de pôles et l’autre pour les
fortes vitesses du vent à petit nombre pair de pôles. Donc le système fonctionne à une vitesse
de rotation fixe avec deux points de fonctionnement tout en réduisant le bruit causé par
l’orientation de l’angle de calage .Mais l’inconvénient majeur de système est la présence d’un
second bobinage statorique qui rend la sa conception difficile ainsi que son cout de revient
est trop important.
Multiplicateur
RESEAU f
Sens de transfert d’énergie
MA
Multiplicateur
MAS
Energie
Energie
Réseau f
Figure 1-7 : Machine asynchrone à double stator
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
12
1.7.1.3 Machine asynchrone connectée au réseau par l'intermédiaire d'une interface d'électronique de puissance
Le système représenté sur la Figure 1-8.permet un fonctionnement à vitesse variable ,
quelle que soit la vitesse du vent on aura une tension à fréquence fixe ,en effet la tension
produite sera redressée et transformée en tension continue, Le fonctionnement de l'onduleur
est alors classique et une commande adéquate permet de délivrer une tension alternative de
fréquence fixe correspondant à celle du réseau avec un facteur de puissance unitaire , La
puissance nominale de la génératrice détermine alors la puissance maximale que peut fournir
l’éolienne, cependant le convertisseur ( redresseur ,onduleur ) sera dimensionné pour la
totalité de puissance produite par l’éolienne ce qui représente un cout en plus ,et engendre des
pertes importantes (allant jusqu’à 3% de la puissance nominale de la machine) [21]et des
perturbations qui affectent la qualité d’énergie et le rendement de l’aérogénérateur . En outre,
comme toute machine asynchrone, l'énergie réactive nécessaire à la magnétisation sera
fournie par les capacités connectées au stator de la machine. Ces inconvénients ont limité
l’utilisation de ce système.
Figure 1-8 : Machine asynchrone connectée sur le réseau par l'intermédiaire d'un ensemble redresseur – onduleur
1.7.1.4 Machine à double alimentation de stator avec rotor à cage « Brushless Doubly-Fed Machine » (BDFM) Cette configuration de machine essai d’allier les avantages de la Machine
asynchrone à cage et de la Machine asynchrone à double alimentation type "rotor bobiné. Elle
Multiplicateur
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
13
est constituée par un rotor à cage et par deux bobinages triphasés indépendants dans le stator.
Un des bobinages du stator, appelé Bobinage de Puissance (BP), est directement relié au
réseau, tandis que l’autre, dont la section des conducteurs est moins élevée, permet de faire
varier les courants d'excitation de la machine appelé Bobinage de Commande (BC), est
alimenté par un convertisseur bidirectionnel (Fig. 1.9). La maîtrise de l’état électromagnétique
de la machine est assurée par le bobinage de commande, ce qui permet de générer dans le
bobinage de puissance une tension à la fréquence et amplitude nominales du réseau même si
le rotor s’éloigne de la vitesse synchronique [22].
Figure 1-9 : Machine asynchrone brushless connectée sur le réseau. le convertisseur est dimensionné uniquement pour faire transiter la puissance destinée à la
magnétisation de la machine et est donc moins coûteux que dans le cas du système précédent
décris dans la (Figure 1.8),en outre la machine n’as pas de contacts glissants ce qui réduit le
coût de la maintenance par rapport à celui de la machine asynchrone à rotor bobiné,
cependant la machine possède deux stators à nombre de paire de pôles différent ce qui
augmente son diamètre et sa complexité de fabrication , Ce systèmes n'est pas exploité
industriellement mais existe à l'état de prototype.
1.7.1.5 Machine asynchrone à double alimentation type "rotor bobiné"
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.
Multiplicateur
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
14
Intégrée dans un système éolien, la machine a généralement son stator connecté au réseau et
l'énergie rotorique varie selon différents systèmes décrits ci-dessous. 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 compensée par l'économie
réalisée sur le convertisseur.
La diminution de puissance du convertisseur statique permet la minimisation des
composants de filtrage et de conversion, l’accroissement de la fiabilité de l’électronique, la
diminution du coût de l’ensemble et l’amélioration de la qualité d’onde générée (grâce à la
diminution de l’amplitude des courants commutés par le convertisseur et l’augmentation de la
fréquence de hachage) [22].
Par contre, l’adoption d’un rotor bobiné limite la capacité de surcharge et introduit des modes
d’oscillation supplémentaires par rapport au rotor à cage, plus rigide dans sa construction.
Pour une puissance nominale donnée, la machine à rotor bobiné sera plus encombrante et plus
lourde que l’équivalent à cage. Pour finir, la présence des balais oblige à des interventions de
maintenance fréquentes [22], [28].
a. Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée
Cette configuration à vitesse variable est représentée sur la (Figure 1-10), le stator est
connecté directement au réseau et le rotor est connecté à un redresseur. Une charge résistive
est alors placée en sortie du redresseur par l'intermédiaire d'un hacheur à IGBT ou GTO [10].
Le contrôle de l’IGBT permet de faire varier l'énergie dissipée par le bobinage rotorique et de
fonctionner à vitesse variable en restant dans la partie stable de la caractéristique
couple/vitesse de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifié en fonction de la
vitesse de rotation du moteur. Si le glissement devient important, la puissance extraite du
rotor est élevée et elle est entièrement dissipée dans la résistance R, ce qui nuit au rendement
du système. De plus cela augmente la puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la
taille de la résistance. Le fabriquant "VESTAS" dans son dispositif "OPTI-SLIP" a mis en
œuvre ce système en utilisant des composants qui tournent avec le rotor et une transmission
optique des signaux de commande. Les contacts glissants sont ainsi évités. La variation
maximale du glissement obtenue dans ce procédé est de 10% [17].
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
15
Figure 1.10 : MADA avec contrôle du glissement par l'énergie dissipée
b. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Kramer Le hacheur et la résistance du système précédent sont remplacés par un onduleur qui
renvoie l'énergie de glissement vers le réseau afin de minimiser les pertes d'énergie ( Figure 1-
11).Comme dans le cas de la machine brushless présentée ci-dessus, ce système est
avantageux s'il permet de réduire la taille du convertisseur par rapport à la puissance nominale
de la machine. Afin de respecter cette contrainte, le glissement est maintenu inférieur à 30%.
L'utilisation de thyristors pour l'onduleur nuit au facteur de puissance, de plus le redresseur est
unidirectionnel (transfert d'énergie uniquement du rotor de la machine vers le réseau) donc le
système ne peut produire de l'énergie que pour des vitesses de rotation supérieures au
synchronisme
Figure 1.11 : MADA, structure Kramer
ENERGIE
Multiplicateur
Multiplicateur
ENERGIE
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
16
c. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Scherbius avec cycloconvertisseur
Pour avoir un flux d'énergie bidirectionnel entre le rotor et le réseau, l'association
redresseur-onduleur peut être remplacée par un cycloconvertisseur (Figure 1-12), l'ensemble
est alors appelé structure de Scherbius [24].
La plage de variation de vitesse est doublée par rapport à la structure de la Figure 1.18.
En effet si la variation du glissement doit rester inférieure à 30% pour maintenir l'efficacité du
système, cette variation peut être positive (fonctionnement hyposynchrone) ou négative
(fonctionnement hypersynchrone).
Figure 1.12 : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur Le principe du cycloconvertisseur est de prendre des fractions des tensions sinusoïdales du
réseau afin de reproduire une onde de fréquence inférieure. Son utilisation génère par
conséquent des perturbations harmoniques importantes qui nuisent au facteur de puissance du
dispositif. Les progrès de l’électronique de puissance ont conduit au remplacement du
cycloconvertisseur par une structure à deux convertisseurs à IGBT commandés en MLI.
d. Machine asynchrone à double alimentation – structure de Scherbius avec convertisseurs MLI.
Cette configuration (Figure 1.13) a les mêmes caractéristiques que la structure de
Scherbius avec cycloconvertisseur. Toutefois les interrupteurs utilisés ici (transistors IGBT)
peuvent être commandés à l'ouverture et à la fermeture et leur fréquence de commutation est
plus élevée que celle des GTO [18], [20]. L'utilisation de ce type de convertisseur permet
d'obtenir des allures de signaux de sortie en Modulation de Largeur d'Impulsions dont la
RESEAU f
CYCLOCONVERTISSEUR
ENERGIE
Multiplicateur
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
17
modularité permet de limiter les perturbations en modifiant le spectre fréquentiel du signal
(rejet des premiers harmoniques non nuls vers les fréquences élevées).
La structure du dispositif et la philosophie de fonctionnement sont semblables à
celle de la MADA de type "brushless" (Figure 1-9). Toutefois, malgré la présence de contacts
glissants qui doivent être entretenus et remplacés périodiquement, la conception de cette
machine est plus conventionnelle et plus simple que la machine brushless (un seul bobinage
au stator, un autre au rotor). Plusieurs études récentes, confirmées par des réalisations
industrielles, montrent la viabilité de ce dispositif dans un système éolien à vitesse variable.
La bi-directionalité du convertisseur rotorique autorise les fonctionnements hyper et
hyposynchrone et le contrôle du facteur de puissance côté réseau.
Figure 1.13 : structure de Scherbius avec convertisseurs MLI Si le glissement reste inférieur à ± 30 % autour du synchronisme, le convertisseur est alors
dimensionné pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes représentent
moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de
produire de l'énergie du stator vers le réseau mais également du rotor vers le réseau .La
puissance totale ainsi produite peut alors dépasser la puissance nominale de la machine et le
facteur de puissance de l'ensemble peut être maintenu unitaire. La présence d'un convertisseur
à MLI peut toutefois entraîner des dv/dt importants dans les enroulements rotoriques et faire
circuler des courants de fréquences élevés dans ces mêmes enroulements [20], [21].
1.7.2 Systèmes utilisant les machines synchrones Les machines asynchrones présentent le défaut d’imposer la présence d’un
multiplicateur de vitesse et un couple insuffisant pour un couplage mécanique direct sur les
voilures éoliennes. Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples
très importants, elles peuvent donc être utilisées en entraînement direct sur les turbines
RESEAU f
ENERGIE
Multiplicateur
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
18
éoliennes. Les systèmes de ce type possèdent aussi leurs défauts, ils demandent un entretien
régulier des bagues et balais. Le couplage direct sur le réseau est proscrit car étant beaucoup
trop rigide, une électronique de puissance s’impose pour toutes les applications utilisant ce
type de machines qui sont à vitesse variable.
1.7.2.1 Machine synchrone à rotor bobiné ou à aimants
Dans une machine synchrone classique utilisée en alternateur, le champ créé par la
rotation du rotor doit tourner à la même vitesse que le champ statorique. Ainsi, si l'alternateur
est Connecté au réseau, sa vitesse de rotation doit être rigoureusement un sous-multiple de la
pulsation des courants statoriques. L'adaptation de cette machine à un système éolien pose des
problèmes pour maintenir la vitesse de rotation de l'éolienne strictement fixe et pour
synchroniser la machine avec le réseau lors des phases de connexion. Pour ces raisons, on
place systématiquement une interface d'électronique de puissance entre le stator de la machine
et le réseau (Figure 1-14) ce qui permet d'autoriser un fonctionnement a vitesse variable dans
une large plage de variation.
Figure 1-14 : Machine synchrone reliée au réseau par un dispositif redresseur – hacheur – Onduleur MLI
L'exemple de la Figure 1-14 [10] présente une configuration classique d'interface de
connexion d'une machine synchrone au réseau. Le convertisseur connecté au stator de la
machine est un simple redresseur puisqu'elle n'absorbe pas de puissance réactive, ce qui
permet d'éviter les dv/dt importants sur les enroulements statoriques. Ce redresseur est
classiquement suivi d'un hacheur élévateur permettant de délivrer une tension suffisante à
l'onduleur MLI pour les faibles vitesses de rotation. La présence de l'onduleur MLI permet de
Multiplicateur
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
19
contrôler le facteur de puissance coté réseau. Ces convertisseurs sont toutefois dimensionnés
pour la totalité de la puissance nominale de la machine et entraînent jusqu'à 3% de cette
puissance de pertes. Notons que l'utilisation de machines synchrones à faible vitesse (grand
nombre de paire de pôles) permet de supprimer le multiplicateur de vitesse, pièce mécanique
complexe entraînant des pertes et des pannes fréquentes mais l'augmentation du nombre de
pôles implique une machine de très grand diamètre représentant un barrage important pour
l'écoulement du vent.
1.7.2.2 Machine synchrone à aimants permanents discoïde
La machine synchrone à aimants permanents et à entrefer axial dite "discoïde" peut
être constituée, dans sa structure élémentaire (étage), soit d’un disque rotorique entouré par
deux disques statoriques, soit de deux disques rotoriques entourant le disque statorique.
Un disque rotorique est constitué d’un circuit magnétique torique portant les aimants
permanents sur une ou deux faces. Le disque statorique est constitué d’un circuit magnétique
torique à section rectangulaire portant les bobinages statoriques. Ces derniers peuvent être
enroulés autour du tore statorique, ou encore, ils peuvent être logés dans des encoches
disposées radialement tout au long de l’entrefer. Cette structure axiale permet de réaliser une
machine modulaire en disposant plusieurs étages les uns à côté des autres et en les connectant
en parallèle.
Nous pouvons trouver dans la littérature d’autres systèmes à machines spéciale dont
on peut citer machine à réluctance variable non excitée et machine à réluctance variable
excitée par des courants triphasés au stator, qui sont décrits dans [1], [21]
1.8 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté un rappel sur les différents types d’éoliennes et
leur mode de fonctionnement, nous avons aussi détaillé les différentes configurations possible
des systèmes éoliens et leur convertisseurs associes, à savoir les systèmes utilisant la machine
asynchrone et les systèmes utilisant la machine synchrone.
Nous avons vu dans ce chapitre que l’éolienne a deux principaux modes de
fonctionnement soit connecté directement au réseau, soit en autonome. La machine
asynchrone à cage d’écureuil représente une solution importante vu son prix de revient qui est
relativement faible par rapport aux autres systèmes éoliens ,de plus l’absence des contacts
glissants rend sa maintenance facile et moins coûteuse ; cependant , pour pouvoir fonctionner
Chapitre 1 : Généralités Sur Les Aérogénérateurs
20
à vitesse variable ,l’insertion des convertisseurs de puissance entre la génératrice et le réseau
est une nécessité , mais leur présence nuit au rendement global de l’installation , nous avons
vu que la configuration du système éolien basé sur la machine asynchrone à double
alimentation donne un bon rapport entre la plage de variation de vitesse qu'il autorise et la
taille du convertisseur par rapport à la puissance nominale de la machine. Nous avons vu si le
glissement reste inférieur à ± 30 % autour du synchronisme, le convertisseur sera alors
dimensionné pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes représentent
moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de
produire de l'énergie du stator vers le réseau mais également du rotor vers le réseau .La
puissance totale ainsi produite peut alors dépasser la puissance nominale de la machine et le
facteur de puissance de l'ensemble peut être maintenu unitaire.
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
21
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
2. Etude de la partie mécanique de l’éolienne
2.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous allons étudier et modéliser la partie mécanique de la turbine
éolienne qui est une partie importante dans la conversion d’énergie du vent, cette
modélisation sera utilisée par la suite dans le système global de conversion d’énergie
éolienne, nous allons aussi présenter les principaux éléments qui la composent,
Nous présenterons les différents systèmes utilisés dans la régulation mécanique de
puissance de l’éolienne.
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
22
2.2 Principaux composants d’une éolienne
Une éolienne est constituée principalement de trois parties : les pales (entre 1 et 3), la
nacelle et la tour. Chacune de ces parties doit être minutieusement étudiée et modélisée de
façon à obtenir un meilleur rendement et une bonne fiabilité du système ainsi qu’un faible
coût d’investissement.
2.2.1 La tour La tour est généralement un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique, elle doit être
le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière
mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis
consiste généralement à prendre une tour (mât) de taille très légèrement supérieure au
diamètre du rotor de l'aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW: diamètre
de 90m, mât 80m) [16].
Fig .2.2: Eolienne avec Pylône en treillis [29]
Fig 2.3: petite éolienne sous le vent avec un pylône léger haubané [29]
Fig. 2.1: Pylône tubulaire d’un futur parc éolien [29]
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
23
2.2.2 La nacelle La nacelle se retrouve au sommet de la tour, elle regroupe tous les éléments mécaniques
permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide,
roulements, multiplicateur. Le frein, le générateur, les systèmes hydrauliques ou électriques
d'orientation des pales (frein aérodynamique), le système de refroidissement par air ou par
eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l'éolienne. Tous ces éléments
sont représentés dans la figure suivante :
2.2.3 Le Rotor
Le Rotor est constitué par de pales montées sur le moyeu , sa fonction principale est
de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique ,l’énergie captée par
l’éolienne est en fonction de la vitesse du vent et la surface balayée par l’hélice , cette
dernière est directement liée au diamètre du rotor ,plus le diamètre est grand plus la surface
balayée est importante .Pour les éoliennes destinées à la production d'électricité, le nombre de
pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus
répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la
pollution visuelle et le bruit [29].
Fig. 2.4: Eléments constituants une éolienne [29]
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
24
Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie (la largeur, la longueur)
dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont constituées
La plupart des pales modernes des grandes éoliennes sont fabriquées en plastique (polyester
ou époxy) renforcé par des fibres de verre (en anglais, appelé aussi GRP - glass fibre
reinforced plastics). L'utilisation de fibres de carbone ou d'aramide comme matériaux de
renforcement est une autre possibilité, mais en général, une telle solution s'avérera trop chère
pour les grandes éoliennes. Les matériaux composites de bois, bois-époxy ou bois-fibres-
époxy n'ont pas encore pénétré le marché des pales, bien qu'on explore toujours les
possibilités de leur utilisation pour la fabrication des pales. Les alliages d'acier et d'aluminium
posent des problèmes de poids et de fatigue du métal, respectivement. Par conséquent, ces
alliages sont actuellement seulement utilisés pour les pales très petites
[29], [30].
2.2.4 Un multiplicateur de vitesse La puissance produite par la rotation du rotor d'une éolienne est transmise à la
génératrice par toute une chaîne dynamique, c.-à-d. par l'arbre lent, le multiplicateur et l'arbre
rapide, Mais pourquoi, en fait, utiliser un multiplicateur, N'est-ce pas possible d'entraîner la
génératrice directement par la puissance produite par l'arbre lent ?
Si nous utilisions une génératrice ordinaire, raccordée directement à un réseau à 50 Hz et à
trois phases avec deux, quatre ou six pôles, il nous faudrait une turbine à une vitesse extrême
variant entre 1.000 et 3.000 tours par minute. Avec un diamètre de rotor de 43 mètres, cela
impliquera une vitesse tangentielle des pales du rotor à leur extrémité de plus de deux fois la
vitesse du son– il vaut donc mieux laisser tomber cette idée tout de suite. Une autre possibilité
consiste à construire une génératrice à marche lente, munie d'une multitude de pôles. Mais si
vous désirez raccorder votre génératrice directement au réseau, vous aurez besoin d'une
génératrice à 200 pôles (c.-à-d. à 300 aimants) pour obtenir une vitesse de rotation raisonnable
de 30 tours par minute. Un autre problème est le fait que la masse du rotor de la génératrice
doit être plus ou moins proportionnelle au couple (moment ou couple de torsion) que le rotor
doit pouvoir supporter. De toute manière, une génératrice entraînée directement sera donc très
lourde - et coûtera très chère [4], [29].
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
25
2.2.5 Le système contrôle commande de l'éolienne Le système de contrôle de l'éolienne est composé d'un certain nombre d'ordinateurs
qui surveillent sans cesse la condition de l'éolienne, tout en recueillant des statistiques sur son
fonctionnement. Comme son nom l'indique, cette unité contrôle également plusieurs
interrupteurs, pompes hydrauliques et soupapes situés à l'intérieur de l'éolienne. Avec
l'augmentation de la taille des éoliennes, il devient encore plus important que leur taux de
disponibilité soit très élevé, donc que leur fonctionnement soit fiable à tout moment.
Le système contrôle commande communique avec le propriétaire ou l'opérateur de
l'éolienne par un lien de communication, p.ex. en transmettant des alarmes ou des demandes
d'entretien par téléphone ou radio. Il rend également possible d'appeler l'éolienne afin de
recueillir des statistiques et de contrôler sa condition actuelle. Dans un parc éolien, il est
normal qu'une des éoliennes soit dotée d'un ordinateur permettant de contrôler et de recueillir
les données des autres éoliennes du parc. On peut appeler cet ordinateur par communication
téléphonique ou radio.
En général, on installe un système contrôle commande et tout en bas de la tour, et à
l'intérieur de la nacelle. Sur les modèles récents, la communication entre les deux systèmes est
normalement assurée par des fibres optiques. Sur certains des nouveaux modèles, on a placé
un troisième système de contrôle dans le moyeu du rotor. Cette unité communique avec le
système de contrôle situé dans la nacelle par des communications en série au travers de câbles
couplés par des bagues et des brosses sur l'arbre lent. Il est possible de surveiller ou de régler
entre 100 et 500 paramètres différents dans une éolienne moderne. Le système contrôle-
commande vérifie p.ex. la vitesse de rotation du rotor, la génératrice, la tension et l'intensité
du courant de celle-ci. En outre, on peut enregistrer les foudres et leur charge. Il est également
possible d'obtenir des informations sur la température de l'air en dehors de l'éolienne, la
température dans les armoires électroniques, la température de l'huile du multiplicateur, la
température des enroulements de la génératrice, la température des paliers du multiplicateur,
la pression hydraulique, l'angle de pas de chaque pale du rotor (en cas d'éoliennes à pas
variable ou à contrôle actif par décrochage aérodynamique), l'angle d'orientation (en comptant
le nombre de dents sur la couronne du dispositif d'orientation), le nombre de torsions des
câbles, la direction du vent, la vitesse du vent, la force et la fréquence des vibrations dans la
nacelle et les pales du rotor, l'épaisseur des garnitures des freins, si la porte de la tour est
ouverte ou fermée (système d'alerte), etc. [29], [31].
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
26
2.2.6 Le système de refroidissement Sur la plupart des éoliennes, on assure ce refroidissement en enrobant la génératrice
dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand ventilateur qui refroidit l'air. Il y a
cependant un petit nombre de constructeurs d'éoliennes qui à la place utilisent des
génératrices refroidies par eau. Ces génératrices peuvent être construites de façon plus
compacte ce qui comporte quelques avantages au niveau du rendement électrique, mais elles
requièrent en même temps l'installation d'un radiateur dans la nacelle afin de se débarrasser de
la chaleur provenant du système de refroidissement par liquide.
2.3 Sécurité des éoliennes Pour éviter l’emballement du rotor par fort vent, les pales du l’éolienne sont
conçues d’une façon à décrocher progressivement à vitesse du vent critique. le rotor ne monte
pas en vitesse avec l’augmentation de la vitesse du vent à cause des turbulences qui se créent
autour de la pale et font diminuer sa portance réduisant ainsi le couple produit [3].
Certaines éoliennes sont dotées d’aérofreins placés sur le bord de fuite ou en extrémité
des pales, actionnées par un system centrifuge ou hydraulique pour les grandes machines, de
plus de ce system toutes les éoliennes sont équipées d’un frein mécanique de sécurité pour
ralentir ou maintenir à l’arrêt le rotor.
2.4 Impacts des sites éoliens sur l’environnement
2.4.1 La dégradation du paysage Les aérogénérateurs peuvent atteindre une hauteur de plus de 100m pour un diamètre
des pales de 70m. C'est pourquoi les éoliennes peuvent occasionner une dégradation
importante du paysage. Des craintes existent quant à la dépréciation du foncier et de
l'immobilier à proximité des parcs éoliens. Cependant, certaines études montrent que l'éolien
n'a que peu d'influence sur les cours de l'immobilier.
2.4.2 Les nuisances sonores Le bruit que génèrent les éoliennes peut être d'origine mécanique (rotation du rotor et
fonctionnement de la génératrice) ou d'origine aérodynamique (lorsque les pales «fendent»
l'air). Les éoliennes installées actuellement produisent un bruit de 55 dBA à leur pied.
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
27
2.4.3 Les problèmes ornithologiques Les impacts des parcs éoliens sur la biodiversité touchent principalement les oiseaux
et les chauves-souris. Ils sont de trois types - mortalité, dérangement, perte d'habitat - et
varient en fonction des espèces, des saisons, des milieux, de la taille des parcs éoliens...S'ils
sont relativement faible par rapport à ceux d'autres activités humaines (agriculture intensive,
collision avec les vitres d'immeubles allumés la nuit, avec les voitures ou les fils électriques,
prédation des chats domestiques, chasse...) ils constituent néanmoins des risques
supplémentaires qu'il convient de connaître afin de pouvoir les réduire. La mortalité varie de 0
à 40 oiseaux et chauves-souris par éolienne et par an. Lors de la migration, la présence
d'éoliennes sur une voie migratoire entraîne généralement des réactions d'évitement,
augmentant d'autant la difficulté du périple. Pour certaines espèces, la présence de
nombreuses éoliennes entraîne une désertion totale de la zone, comme c'est le cas pour le
vanneau huppé sur un site allemand.
2.5 La modélisation
Une éolienne capte l'énergie cinétique du vent et la convertie en un couple qui fait
tourner les pales du rotor. Trois facteurs déterminent le rapport entre l'énergie du vent et
l'énergie mécanique récupérée par le rotor : la densité de l'air, la surface balayée par le rotor et
la vitesse du vent
La surface balayée par le rotor
2.5.1 La surface balayée par le rotor La surface balayée par le rotor d'une éolienne typique de 600 kW est de quelque
1.500 m2, le diamètre du rotor étant d'environ 43 à 44 m. L'énergie récupérable par une
éolienne dépend en effet de la surface balayée par son rotor. Etant donné que la surface
balayée par le rotor s'accroît avec le carré du diamètre du rotor, un doublement de celui-ci
entraînera une récolte de 22 = 2 x 2 = quatre fois plus d'énergie.
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
28
2.5.2 La densité de l'air L'énergie cinétique contenue dans un objet en déplacement est proportionnelle à sa
masse volumique (ou son poids). Elle dépend donc de la densité de l'air, c.-à.-d. la masse de
l'air par unité de volume. Ou autrement dit, plus l'air est dense, plus la partie de l'énergie
récupérable par l'éolienne est importante.
A une pression atmosphérique normale et à une température de 15 degrés Celsius, l'air pèse
environ 1,225 kg par mètre cube. Cependant, la densité diminue un peu lorsque l'humidité de
l'air augmente. De même, l'air froid est plus dense que l'air chaud, tout comme la densité de
l'air est plus faible à des altitudes élevées (dans les montagnes) à cause de la pression
atmosphérique plus basse qui y règne [10] [29].
2.5.3 La Vitesse du vent La variation journalière de la vitesse du vent est due aux phénomènes thermiques liés
au rayonnement solaire. La vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant la
journée à partir du lever du soleil. Les variations saisonnières ou mensuelles de la vitesse du
vent dépendent du lieu géographique et différent d’un site à un autre. Seuls les relevés
météorologiques des paramètres vent sur une longue période peuvent caractériser ces
variations.
2.5.4 Puissance récupérable par une turbine
La turbine qui comporte trois pales de longueur R, fixées sur un arbre d’entraînement
tournant à une vitesse Ωturbine, qui entraînera une génératrice (MADA) à travers un
multiplicateur de vitesse de gain G. La figure (2.5) montre le schéma d’une turbine éolienne. L'énergie éolienne provient de l'énergie cinétique du vent. En effet, si
nous considérons une masse d'air, m, qui se déplace avec la vitesse v, l'énergie
cinétique de cette masse est :
EC=21 2mv (2.1)
Si, pendant l’unité de temps, cette énergie pouvait être complètement
récupérée à l'aide d'une hélice qui balaie une surface S, située perpendiculairement à
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
29
la direction de la vitesse du vent, la puissance instantanée fournie serait, alors :
Pv = 21 3.. vSρ
= 21 32... vRπρ (2.2)
ρ : masse volumique de l’air (celle-ci est de 1,25 Kg/m en atmosphère normale).
S : c’est la surface circulaire balayée par la turbine, le rayon du cercle est déterminé par la
longueur de la pale.
R : correspond pratiquement à la longueur de la pale.
v : est la vitesse du vent (en m/s).
Fig.2.5 : Schéma de la turbine éolienne
D’après la relation (2 .2) on remarque que la puissance est directement proportionnelle
à la surface balayée par le rotor, mais surtout au cube de la vitesse du vent.
Toutefois, toute l'énergie ne peut être captée, on ne peut pas extraire la totalité de la puissance
car la vitesse du vent n'est pas nulle après l'éolienne. On introduit alors un coefficient Cp, qui
dépend des caractéristiques aérodynamiques des pales. Ce coefficient correspond au
rendement du rotor de l’éolienne [4], [29], [6], [21]. La puissance sur l'arbre du rotor ou la
puissance aérodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine s’écrit :
Paero= CpPv= 21 )...)(,( 32 vRCP πρβλ (2.3)
Cp : coefficient de puissance défini comme suit :
7.9563. 10 17.375. 10 9.86. 10 9.410 6.38. 10 0.001 (2.4)
Ωturbine
Caer
MADA
GénérateurMultiplicateur
Turbine
R
β
Ωmec
Cg
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
30
β : angle d’orientation des pales.
λ : est le ratio de vitesse défini comme étant le rapport entre la vitesse linéaire des pales
Ωturbine.R, et la vitesse du vent V.
λ =v
Rturbine.Ω (2.5)
La quantité d'énergie susceptible d'être convertie en électricité par une éolienne dépend avant
tout de la vitesse du vent. L'énergie transportée par le vent varie avec le cube de la vitesse
moyenne du vent. Ainsi, un doublement de la vitesse du vent correspond à une augmentation
de sa capacité énergétique de 2³, soit 2 x 2 x 2= 8 fois.
2.5.5 Modèle du Multiplicateur : Les multiplicateurs utilisés actuellement comportent généralement deux à trois trains
d’engrenages épicycloïdaux permettant d’obtenir des rapports de multiplications de l’ordre de
100.ces engrenages sont générateurs de bruit et de pertes mécaniques [4].
Le multiplicateur a pour rôle d’adapter la vitesse lente de la turbine à la vitesse de la
génératrice, et pour pouvoir le modéliser, nous allons utiliser un gain de vitesse G qui
correspond au rapport de multiplication.
gC =G
Caer (2.6)
Avec
Cg : couple issu du multiplicateur ;
Caer : couple aérodynamique ;
G : Gain du multiplicateur.
Pour la vitesse, on aura :
turbineΩ =GmecΩ
(2.7)
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
31
2.5.6 Equation dynamique de l’arbre
La modélisation de la transmission mécanique se résume donc comme suit
∑ ==Ω
mecmec
t Ccouplesdt
dJ (2.8)
Jt: le moment d’inertie de la turbine équivalent aux inerties des trois pales de
l’éolienne
Cmec : le couple mécanique, ce dernier prend en compte :
Le couple électromagnétique produit par la génératrice Cem ;
Le couple de frottement visqueux Cvis ;
Et le couple issu du multiplicateur Cg
visemgmec CCCC −−= (2.9)
Le schéma bloc de la Figure 2-7 correspond aux modélisations aérodynamique et
mécanique de la turbine éolienne. Ce schéma bloc montre que la vitesse de rotation Ωmec de la
MADA, donc de la turbine, peut être contrôlée par action soit sur l’angle de calage des pales β
, soit sur le couple électromagnétique Cem de la MADA. La vitesse du vent v est considérée
comme une entrée perturbatrice au système [8].
Fig. 2.7: Modélisation de la partie mécanique de l’éolienne [9].
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
32
2.6 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
Les éoliennes sont conçues pour produire de l'électricité à un prix aussi bas que
possible. Par conséquent, les éoliennes sont en général construites de manière à atteindre leur
performance maximale à environ 15 m/s. Il est en fait inutile de concevoir des éoliennes qui
maximalisent leur rendement à des vitesses de vent encore plus élevées, celles-ci étant peu
fréquentes. [29]
En cas de vitesses de vent supérieures à 15 m/s, il est nécessaire de perdre une partie
de l'énergie supplémentaire contenue dans le vent afin d'éviter tout endommagement de
l'éolienne. Toutes les éoliennes sont donc conçues avec un système de régulation de la
Puissance.
L’objectif de cette régulation est double, d’une part de protéger l’éolienne par vent
fort et d’autre part de délimiter la puissance. En effet, la turbine éolienne est dimensionnée
pour fournir une puissance nominale Pn à une vitesse de vent nominale vn, au delà de cette
vitesse les paramètres de la turbine doivent évoluer afin de fournir la puissance nominale et de
ne pas produire au delà d’une vitesse maximale vn qui pourrait endommager la turbine. On
peut définir quatre zones de fonctionnement :
• la zone I : le vent n’est pas suffisant pour faire fonctionner la turbine
• la zone II : la puissance fournie par l’arbre va dépendre de la vitesse du vent
• La zone III : la vitesse de rotation est maintenue constante par régulation de la vitesse
et la puissance P fournie reste égale à Pn.
• La zone IV : la vitesse de vent est trop importante, pour ne pas détériorer le générateur
éolien, les pales de la turbine sont mises en drapeaux (_=90°)
Figure 2.8 Caractéristique puissance/vitesse de vent d'une éolienne classique [19]
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
33
La majorité des éoliennes connectées au réseau électrique sont équipées d’un dispositif
de réglages de l’incidence des pales pour pouvoir fonctionner à une vitesse quasiment
constante [3], ainsi pour avoir une tension à fréquence constante pour différents vents.
Ils existent plusieurs systèmes de régulation de vitesse pour la turbine, on va s’intéresser pour
notre part aux systèmes les plus couramment utilisés à savoir [1]:
• Le système « pitch » ou « pas de calage variable »
• Le système « stall » ou « à décrochage aérodynamique »
• Le système « stall actif »
2.6.1 Le système « pitch » La caractéristique C p (λ) est directement liée à l’aérodynamisme des pales. La Figure
ci- dessous nous montre l’évolution de la caractéristique d’une éolienne en fonction de β.
Plus l’angle de calage sera important, moins la turbine captera l’énergie cinétique du vent. Les
pales sont face au vent pour des vents faibles afin d’en extraire le maximum de puissance puis
lorsque le vent nominal vn est atteint, elles s’inclinent pour atteindre la position « drapeau » à
la vitesse de vent maximale.
Le système « pitch » a pour avantage de permettre un contrôle actif de la puissance
sous une large gamme de vitesse du vent [20]. L’angle de calage des pales peut être déterminé
afin d’optimiser la conversion d’énergie quand le vent évolue entre vd et vn, le contrôle de
l’angle de calage permet également de réguler la vitesse lorsque v > vn et le démarrage à
vitesse de vent faible est facilité par le changement de l’angle de calage.
Figure 2-9 : Influence de l'angle de calage sur le coefficient de couple [19]
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
34
2.6.2 Le système « stall » ou « à décrochage aérodynamique »
Le système de limitation de vitesse le plus simple, le plus robuste et le moins
coûteux est un système de limitation naturelle (intrinsèque à la forme de la pale) dit "stall"
[21], il est basé sur le phénomène de décrochage aérodynamique, les pales sont conçues avec
un profil, qui permet d’obtenir une décroissance brusque de la portance à partir d’une vitesse
donnée pour laquelle la puissance doit être diminuée.
Les éoliennes munies du système stall génèrent une puissance électrique variable dont la
valeur maximale correspond à la puissance nominale de la machine. En dessous de cette
valeur, la puissance fournie croît avec la vitesse du vent. Au-delà, la puissance fournie décroît
avec la vitesse du vent.
Figure.2.10 : Caractéristique d'une éolienne à vitesse fixe avec décrochage aérodynamique [19]
Ce system est simple, relativement fiable, robuste et moins coûteux cependant il a
faible rendement à faibles vitesses du vent, de plus la puissance active n’est pas contrôlable
[1], [21], [6].
2.6.3 Le système « stall actif »
Le système stall actif est la combinaison des deux systèmes décrits précédemment, il
est utilisé pour les machines de très forte puissance. Le décrochage aérodynamique est obtenu
progressivement grâce à un dispositif permettant un débattement des pales contre le vent.
L’orientation des pâles étant très réduite, le dispositif mécanique est technologiquement plus
simple et moins coûteux.
Puissance électrique en (kW)
V0 vitesse du vent en (m/s) Vn
Chapitre 2 : Etude de la partie mécanique de l’éolienne
35
2.7 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons détaillé la partie mécanique de la turbine éolienne, nous
avons aussi modélisé l’ensemble mécanique y compris le multiplicateur, permettant
l’interconnexion avec la génératrice qui aura le couple comme entrée et la vitesse comme
sortie, nous avons vu que cette partie mécanique est un élément très important dans les
systèmes de conversion éoliens
Dans le chapitre suivant, nous allons étudier la machine asynchrone à double alimentation
et nous présenterons ses avantages, son model afin de pouvoir l’utiliser dans la modélisation
du système global.
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
36
Chapitre 3
Etude et Modélisation de la machine asynchrone à
double alimentation (MADA)
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
37
3. Etude et Modélisation de la machine asynchrone à double alimentation.
3.1 Introduction
Actuellement ,la majorité des projets éoliens supérieurs à 1MW reposent sur l’utilisation
de la machine asynchrone pilotée par le rotor .son circuit statorique est connecté directement au
réseau électrique .un second circuit placé au rotor est également relié au réseau mais par
l’intermédiaire de convertisseurs de puissance .étant donné que la puissance rotorique transitée
moindre ,le coût des convertisseurs s’en trouve réduit en comparaison avec une éolienne à
vitesse variable alimentée au stator par des convertisseurs de puissance ;une seconde raison est
la possibilité de régler la tension au point de connexion où est injectée cette génératrice. Dans le
premier chapitre, nous avons présenté les différentes configurations utilisant la machine
asynchrone à double alimentation. Diverses applications de la MADA sont alors devenues
possibles dont l’intérêt réside principalement dans les possibilités de contrôle du flux
des puissances pour les régimes caractéristiques hypo et hyper synchrones, cela étant
aussi bien dans les fonctionnements moteur que générateur. Dans ce contexte, la théorie
de l’orientation du flux, apparue dans le début des années 70 , appliquée à la MADA
avec succès a donné lieu à un outil puissant pour son contrôle .
Partant de ce constat, nous avons décidé d'utiliser la machine asynchrone à double
alimentation (MADA) comme alternative à la machine à cage. Même si la présence de
contacts glissants et d'un bobinage rotorique la rend moins robuste, la présence d'un
convertisseur entre le rotor et le réseau permet de contrôler le transfert de puissance entre le
stator et le réseau. De plus, si la plage de variation de vitesse est limitée à ± 30% autour du
synchronisme, le convertisseur doit alors être dimensionné pour seulement 30 % de la
puissance nominale de la machine. L'énergie électrique peut non seulement être produite du
stator vers le réseau mais également, pour les vitesses supérieures au synchronisme, du rotor
vers le réseau [1], [4], [20], [21].
Dans ce chapitre nous allons présenter l’étude de la machine asynchrone à double
alimentation en introduisant des généralités sur la MADA ainsi que ses modes de
fonctionnement et on le conclut par sa modélisation.
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
38
3.2 Structure de la machine :
La machine asynchrone à double alimentation présente un stator analogue à celui des
machines triphasées classiques (asynchrone à cage ou synchrone) constitué le plus souvent de
tôles magnétiques empilées munies d'encoches dans lesquelles viennent s'insérer les
enroulements. L'originalité de cette machine provient du fait que le rotor n'est plus une cage
d'écureuil coulée dans les encoches d'un empilement de tôles mais il est constitué de trois
bobinages connectés en étoile dont les extrémités sont reliées à des bagues conductrices sur
lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne (Figure 2-1).
En fonctionnement moteur, le premier intérêt de la machine asynchrone à rotor
bobiné a été de pouvoir modifier les caractéristiques du bobinage rotorique de la machine,
notamment en y connectant des rhéostats afin de limiter le courant et d'augmenter le couple
durant le démarrage, ainsi que de pouvoir augmenter la plage de variation de la vitesse. Plutôt
que de dissiper l'énergie rotorique dans des résistances, l'adjonction d'un convertisseur entre le
bobinage rotorique et le réseau permet de renvoyer cette énergie sur le réseau (énergie qui est
normalement dissipée par effet joule dans les barres si la machine est à cage). Le rendement
de la machine est ainsi amélioré. C'est le principe de la cascade hyposynchrone.
La machine asynchrone à double alimentation est aussi couramment appelée machine
généralisé car sa structure permet de considérer son comportement physique de façon
analogue à une machine synchrone à la différence près que le rotor n'est plus une roue polaire
alimentée en courant continu ou un aimant permanent mais il est constitué d'un bobinage
Figure 3.1 : - principe du rotor bobiné [4]
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
39
triphasé alimenté en alternatif. Ce fonctionnement peut être éventuellement résumé par le
terme de : "machine synchrone à excitation alternative"[3], [21].
3.3 Application des machines asynchrones à double alimentation
La première application importante de la MADA est le fonctionnement moteur sur
une grande plage de variation de la vitesse. Dans les machines synchrones classiques et
asynchrones à cage d'écureuil, la vitesse de rotation est directement dépendante de la
fréquence des courants des bobinages statoriques. La solution classique permettant alors le
fonctionnement à vitesse variable consiste à faire varier la fréquence d'alimentation de la
machine. Ceci est généralement réalisé par l'intermédiaire d'un redresseur puis d'un onduleur
commandé. Ces deux convertisseurs sont alors dimensionnés pour faire transiter la puissance
nominale de la machine. L'utilisation d'une MADA permet de réduire la taille de ces
convertisseurs d'environ 70 % en faisant varier la vitesse par action sur la fréquence
d'alimentation des enroulements rotoriques [15].
Ce dispositif est par conséquent économique et, contrairement à la machine asynchrone à
cage, il n'est pas consommateur de puissance réactive et peut même être fournisseur.
De la même manière la MADA peut fonctionner en génératrice, l'alimentation du circuit
rotorique à fréquence variable permet de délivrer une fréquence fixe au stator même en cas de
variation de vitesse, ce qui représente un avantage très important. Grâce à cet avantage la
MADA peut être utilisée dans Génération des réseaux de bord des navires ou des avions, dans
les Centrales hydrauliques à débit et vitesse variable, Eoliennes ou turbines marémotrices à
vitesse variable, et comme Groupes électrogènes pour lesquels la réduction de vitesse pendant
les périodes de faible consommation permet de réduire sensiblement la consommation de
carburant [21].
En outre, la MADA peut fonctionner en moteur à vitesse variable à hautes performances avec
deux convertisseurs : un au rotor et un au stator, Ce dispositif permet de faire varier la vitesse
de rotation depuis l'arrêt jusqu'à la vitesse nominale à couple constant et depuis la vitesse
nominale jusqu'à six fois celle-ci à puissance constante.
De même ; la MADA peut fonctionner en génératrice à vitesse variable, nous y reviendrons
dans le paragraphe suivant avec plus de détail.
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
40
3.4 Modes de fonctionnement de la machine à double alimentation :
La Figure 3-2 montre les différentes configurations de fonctionnement de la machine
asynchrone à double alimentation dont le stator est relié directement au réseau et dont le rotor
est relié au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur (structure Scherbius PWM). PRES est
la puissance délivrée au réseau ou fournie par le réseau, PS, la puissance transitant par le
stator, PR, la puissance transitant par le rotor, et PMEC, la puissance mécanique [4],[21].
Comme la machine asynchrone classique, la MADA permet de fonctionner en moteur
ou en générateur mais la grande différence réside dans le fait que pour la MADA, ce n’est
plus la vitesse de rotation qui impose le mode de fonctionnement moteur ou générateur.
La machine à cage doit tourner en dessous de sa vitesse de synchronisme pour être en
moteur et au dessus pour être en générateur. Ici, c’est la commande des tensions
rotoriques qui permet de gérer le champ magnétique à 1’intérieur de la machine, offrant
ainsi la possibilité de fonctionner en hyper ou hypo synchronisme aussi bien en mode
Figure 3.2 : Quadrants de fonctionnement de la machine asynchrone à double alimentation [4], [21].
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
41
moteur qu’en mode générateur. Nous allons présenter successivement ces différents
modes de fonctionnement [4], [21].
3.4.1 Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone.
La figure 2.2 (1) montre que la puissance est fournie par le réseau au stator et la
puissance de glissement transite par le rotor pour être réinjectée au réseau. On a donc un
fonctionnement moteur en dessous de la vitesse de synchronisme. La machine
asynchrone à cage classique peut fonctionner ainsi mais la puissance de glissement est
alors dissipée en pertes Joule dans le rotor.
3.4.2 Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone. La figure 3.2 (2) montre que la puissance est fournie par le réseau au stator et la
puissance de glissement est également fournie par le réseau au rotor. On a donc un
fonctionnement moteur au dessus de la vitesse de synchronisme. La machine asynchrone à
cage classique ne peut pas avoir ce fonctionnement
3.4.3 Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone.
La figure 3.2. (3) montre que la puissance est fournie au réseau par le stator. La
puissance de glissement est aussi fournie par le stator. On a donc un fonctionnement
générateur en dessous de la vitesse de synchronisme. La machine asynchrone à cage
classique ne peut pas avoir ce mode de fonctionnement
3.4.4Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone.
La figure 3.2. (4) montre que la puissance est alors fournie au réseau par le stator
et la puissance de glissement est récupérée via le rotor pour être réinjectée au réseau. On a
donc un fonctionnement générateur au dessus de la vitesse de synchronisme. La machine
asynchrone à cage classique peut avoir ce mode de fonctionnement mais dans ce cas la
puissance de glissement est dissipée en pertes Joule dans le rotor.
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
42
La puissance totale produite par la MADA est la somme de la puissance statorique et
rotorique. Or, jusqu'au synchronisme, la puissance rotorique est négative, la MADA produit
donc légèrement moins que la machine à cage. En revanche, au-delà du synchronisme, la
figure montre que la MADA est capable de produire de l'énergie par l'intermédiaire du rotor
jusqu'à 1900 tr/min (vitesse de synchronisme + 30%) [1], [20].
Pour l’utilisation de la MADA dans les systèmes éoliens, la puissance totale produite sera
comprise entre 0.7 et 1.3 fois de la puissance nominale, Le convertisseur est alors
dimensionné pour faire transiter uniquement la puissance de glissement c'est à dire au
maximum 0,3 fois la puissance nominale de la machine, c'est-à-dire moins couteux ; engendre
moins de pertes en le comparant avec celui qui transite la totalité de la puissance et moins
volumineux ,ce qui représente un grand avantage pour les systèmes utilisant la MADA
comme génératrice .
3.5 Avantages et inconvénients de la MADA Nous introduisons dans ce paragraphe les avantages et les quelques inconvénients que
présente la Machine Asynchrone à Double Alimentation.
3.5.1. Avantages de la MADA
La Machine Asynchrone à Double Alimentation présente plusieurs avantages dont on peut
citer :
Production de puissance électrique quelle que soit sa vitesse de rotation (hypo en
hyper) et la récupération de la puissance de glissement, la puissance produite peut
atteindre 1.3 de la puissance nominale sans être surchauffée.
La mesure des courants au stator et rotor, contrairement à la machine à cage, donnant
ainsi une plus grande flexibilité et précision au contrôle du flux et du couple
électromagnétique.
Les convertisseurs utilisés sont dimensionnés que pour une fraction de la puissance
de la machine (30%) contrairement au système utilisant la machine asynchrone à
cage d’écureuil ou le convertisseur est dimensionné pour la totalité de la puissance
de la machine.
Le partage des fréquences entre le stator et le rotor : en effet, dans le cas d’une double
alimentation, il est possible et recommandé de partager la fréquence de rotation du
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
43
rotor entre les deux convertisseurs alimentant la machine, réduisant ainsi les pertes fer
de la machine et augmentant son rendement.
En fonctionnement générateur, l'alimentation du circuit rotorique à fréquence variable
permet de délivrer une fréquence fixe au stator même en cas de variation de vitesse.
Ce fonctionnement présente la MADA comme une alternative sérieuse aux machines
synchrones classiques dans de nombreux systèmes de production d'énergie
décentralisée
La possibilité de fonctionner à couple constant au-delà de la vitesse nominale [22].
3.5.2 Inconvénients de la MADA :
Machine plus volumineuse que celle à cage, généralement elle est plus longue à causes
des balais.
Nous utilisons un nombre des convertisseurs (deux redresseurs et deux onduleurs ou
un redresseur et deux onduleurs) plus importants que la machine à cage (un redresseur
et un onduleur).
La présence des balais nécessite des interventions périodiques, ce qui augmente le coût
de la maintenance
Le coût total de la machine asservie est plus important que celui de la machine à cage.
Nous soulignons que des études récentes, tenant compte de la chute du prix du
silicium, donnent maintenant un petit avantage à la MADA.
3.6 Modèle de la machine asynchrone à double alimentation (MADA)
dans le plan ABC :
3.6.1 Modèle dynamique d’une machine asynchrone à double alimentation.
Cette section décrit le modèle dynamique d’une machine asynchrone à double alimentation.
La machine asynchrone à double alimentation se compose principalement de deux parties,
stator et rotor. Le rotor tourne à l’intérieur de la cavité de la machine et est séparé du stator
par un entrefer. En principe les circuits électriques du stator et du rotor sont constitués de trois
enroulements identiques couplés en étoile (ou en triangle) à la seule différence est que celui
du rotor relié à trois ou quatre bagues sur lesquelles glissent des balais. Les trois enroulements
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
44
du stator (A, B et C) sont parallèles aux enroulements du rotor et sont distribués
sinusoïdalement, décalés de 120 degrés l’un par rapport à l’autre. La figure (3.3) illustre la
distribution des enroulements dans une machine asynchrone à rotor bobiné à une paire de
pôle P= 1. Souvent la machine sera construite avec plusieurs paires de pôles en reliant les
enroulements en parallèle et les bobines seront décalées de 120. Dans ce cas la machine donne
un couple plus grand et une vitesse de rotation réduite.
sss CBA ,, : Phase du stator.
rrr cba ,, : Phase du rotor.
3.6.2 .Hypothèses simplificatrices :
La machine asynchrone à double alimentation (MADA), avec la répartition de ses
enroulements et sa géométrie propre est très complexe pour se prêter à une analyse
tenant compte de sa configuration exacte. De ce fait, la mise en équations nous impose
certaines hypothèses simplificatrices, dans le but est d’établir un modèle simple, qui
sont :
• La machine est de constitution symétrique.
Fig.3.3 : Représentation de la Machine asynchrone à double alimentation [9]
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
45
On suppose que le circuit magnétique est parfaitement feuilleté au stator et au rotor
(seuls les enroulements sont parcourus par des courants) et que la densité de courant
peut être considérée comme uniforme dans la section des conducteurs élémentaires
(absence d’effet pelliculaire).
• Les résistances des enroulements ne varient pas avec la température.
• On suppose que le circuit magnétique n’est pas saturé, condition nécessaire pour
considérer les flux comme fonction linéaire des courants.
• On considère que la force magnétomotrice créée par chacune des phases
statoriques et rotoriques est à répartition sinusoïdale.
• L’entrefer est d’épaisseur uniforme et l’effet d’encochage est négligé, les
inductances propres sont constantes et les inductances mutuelles sont des fonctions
sinusoïdales de l’angle entre les axes rotoriques et statoriques.
3.6.3 Équations électriques de la machine Afin d’établir la modélisation de la MADA, nous allons déterminer le modèle d’une
machine asynchrone à rotor bobiné. Ce modèle sera établi de la même manière que le
modèle de la machine asynchrone à cage avec comme différence 1’existence de tensions
rotoriques non nulles.
Nous partons des équations générales de la machine asynchrone à rotor bobine qui
s’écrivent, dans un repère triphasé, de la manière suivante :
[ ] [ ] [ ] [ ]3 3 3.s s s s
dV R Idt
= + Φ (3.1)
[ ] [ ] [ ] [ ]3 3 3.r r r r
dV R Idt
= + Φ (3.2)
( )3
, , tj a b cX X X X⎡ ⎤ =⎣ ⎦ X V , I , Ф et j s ou r
Avec :
[ ]0 0
0 00 0
s
s s
s
RR R
R
⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Et
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
46
[ ]0 0
0 00 0
r
s r
r
RR R
R
⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Avec respectivement :
[Vs] et [Vr] les tensions statoriques et rotoriques de la machine.
[Is] et [Ir] les courants statoriques et rotoriques de la machine.
[Фs] et [Фr] les flux statoriques et rotoriques de la machine.
[Rs] et [Rr] les résistances des enroulements statoriques et rotoriques de la machine.
Il est possible d’exprimer les flux en fonction des courants et des différentes
inductances propres et mutuelles de la machine par :
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]3 3 3. .s s s rL I M IΦ = + (3.3)
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]3 3 3. .r r r sL I M IΦ = + (3.4)
Avec :
⎪⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
=
−=−=
sr
rrr
sss
MM
MlLMlL
23
Sous forme matricielle
[ ]s s s
s s s s
s s s
l M ML M l M
M M l
⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Et
[ ]r r r
r r r r
r r r
l M ML M l M
M M l
⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Avec respectivement :
sL et rL les inductances cycliques statoriques et rotoriques de la machine
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
47
sl et rl les inductances propres statoriques et rotoriques de la machine.
Ms et Mr les inductances mutuelles entre deux phases statoriques et entre deux
phases rotoriques de la machine.
M 1’inductance magnétisante.
srM la valeur maximale de l’inductance mutuelle entre une phase du stator et une
phase du rotor.
La matrice des inductances mutuelles (matrice de couplage rotor-stator) s’écrit :
[ ]( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ⎟
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−++−−+
=θπθπθ
πθθπθπθπθθ
cos32cos32cos32coscos32cos32cos32coscos
MMMMMMMMM
Msrsrsr
srsrsr
srsrsr
sr (3.5)
3.6.4 Équation mécanique de la machine L’équation dynamique fait la liaison entre la partie mécanique et la partie
électromécanique de la machine
Ω−−=Ω
rrem fCCdtdJ (3.6)
Où
Ω : la vitesse mécanique de la machine
J : moment d’inertie
Cr : Couple résistant
Cem: Couple électromagnétique
fr : Coefficient de frottement
3.7 Modèle de la machine asynchrone a double alimentation (MADA)
dans le plan dq :
3.7.1 La transformation de Park La transformation de Park est constituée d’une transformation triphasée - biphasée,
suivie d’une rotation. Elle permet de passer du repère (abc) vers le repère (αβ), puis vers le
repère dq). Le repère (αβ) est toujours fixe par rapport au repère (abc); par contre le repère
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
48
(dq) est mobile; il forme avec le repère fixe (αβ) un angle, appelé angle de la transformation
de Park ou angle de Park [2],[3], [27], [28].
La transformation de Park consiste à transformer les enroulements statoriques et
rotoriques en enroulements orthogonaux équivalents, afin d’obtenir un modèle
mathématique plus simple que le modèle physique du système.
3.7.2 Matrices de passage On utilise la transformation de Park qui conserve la puissance instantanée.
1 1 12 2 2
2 cos( ) cos( 2 /3) cos( 2 /3)3
sin( ) sin( 2 /3) sin( 2 /3)
o a
d b
q c
V VV VV V
θ θ π θ πθ θ π θ π
⎛ ⎞⎜ ⎟⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥= − +⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥− − − − + ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
(3.7)
Soit [ ][ ]odq abcV P V⎡ ⎤ =⎣ ⎦ ; de même,
[ ][ ]odq abci P i⎡ ⎤ =⎣ ⎦ ; [ ][ ]odq abcP⎡ ⎤Φ = Φ⎣ ⎦ (3.8)
De même pour la transformée inverse
Fig.3.4 : Pas sa ge du t r i p hasé au b iphasé [9 ]
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
49
1 cos( ) sin( )2
2 1 cos( 2 /3) sin( 2 /3)3 2
1 cos( 2 /3) sin( 2 /3)2
a o
b d
c q
V VV VV V
θ θ
θ π θ π
θ π θ π
⎛ ⎞−⎜ ⎟⎡ ⎤⎜ ⎟⎡ ⎤⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥ = − − − ⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎜ ⎟+ − +⎜ ⎟
⎝ ⎠
(3.9)
Soit [ ] [ ] 1abc odqV P V− ⎡ ⎤= ⎣ ⎦ (3.10)
Remarque : l’angle θ qui sert à la transformation de Park est a priori quelconque. Il
dépend du choix référentiel.
3.7.3 Équation des tensions Equation des tensions au stator :
[ ] [ ] [ ] [ ]3 3 3.sabc s sabc sabc
dV R Idt
= + Φ (3.11)
On écrit d’autre part :
[ ] [ ] 1sabc sodqV P V− ⎡ ⎤= ⎣ ⎦ et [ ] [ ] 1
sabc sodqi P i− ⎡ ⎤= ⎣ ⎦ (3.12)
[ ] [ ] [ ] [ ]1 1 1. ( )sodq s sodq sodqdP V p R I pdt
− − −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + Φ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (3.13)
On multiple à gauche par [P]. On obtient alors :
[ ] [ ] [ ] 1. ( )sodq s sodq sodq sodqd dV R I p pdt dt
−⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + Φ + Φ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (3.14)
On démontre que
[ ] [ ] 1 0 0 00 0 10 1 0
d Pp
dt
− ⎛ ⎞⎜ ⎟= −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
(3.15)
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
50
On obtient donc les équations suivantes, où θs est l’angle électrique dont la référence est au
stator ; on pose ss
ddtθ ω= en appliquant la transformation de Park aux équations de la
machine asynchrone à double alimentation, on trouve :
. ( )
. ( )
ds s ds ds s qs
qs s qs qs s ds
dV R idtdV R idt
ω
ω
⎧ = + Φ − Φ⎪⎪⎨⎪ = + Φ + Φ⎪⎩
(3.16)
. ( )
. ( )
dr r dr dr r qr
qr r qr qr r dr
dV R idtdV R idt
ω
ω
⎧ = + Φ − Φ⎪⎪⎨⎪ = + Φ + Φ⎪⎩
(3.17)
3.7.4 Choix du référentiel On peut distinguer trois choix de référentiel possibles.
• Référentiel lié au stator :
ωθθθ−=−=⇒=
dtd
dtd
dtd rs 0 (3.18)
Ce référentiel est mieux adapté pour travailler avec les grandeurs instantanées 0
• Référentiel lié au rotor :
ωθθ=⇒=
dtd
dtd sr 0 (3.19)
Ce référentiel est caractérisé par 0=rω
Ce référentiel est intéressant quand on étudie des régimes transitoires où la vitesse est
supposée constante.
• Référentiel lié au champ tournant
Ce référentiel est caractérisé par r sω ω ω= −
Dans ce cas les grandeurs statoriques et rotoriques sont connues en régime
permanant .Il est donc préférable de travailler dans ce repère lors d’une étude de la
commande des machines.
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
51
Le modèle de la machine asynchrone à double alimentation s’écrit dans le repère
de Park lié au champ tournant comme suit :
.
.
dsds s ds s qs
qsqs s qs s ds
dV R idt
dV R i
dt
ω
ω
Φ⎧ = + − Φ⎪⎪⎨ Φ⎪ = + + Φ⎪⎩
(3.20)
. ( )
. ( )
drdr r dr s qr
qrqr r qr s dr
dV R idt
dV R i
dt
ω ω
ω ω
Φ⎧ = + − − Φ⎪⎪⎨ Φ⎪ = + + − Φ⎪⎩
(3.21)
3.7.5 Équations des flux On utilise encore la transformation de Park dans les relations donnant les flux.
⎩⎨⎧
+=Φ+=Φ
qrqssqs
drdssds
MiiLMiiL
(3.22)
⎩⎨⎧
+=Φ+=Φ
qsqrrqr
dsdrrdr
MiiLMiiL
(3.23)
3.8 Mise sous forme d’équations d’état On met le système sous forme d’un système d’équations d’état :
⎪⎩
⎪⎨⎧
+=+=
UDXCYUBXAX....
.
(3.24)
Avec X : vecteur d’état U : vecteur d’entrée
Y : vecteur de sortie
Nous considérons le flux statorique et le courant rotorique comme étant les
variables d’état et les tensions statorique et rotorique les variables commandes.
D’après l’équation (3.23) on peut déduire le courant sdi et sqi on fonction de flux
statorique sdΦ , sqΦ et le courant rotorique idr et iqr :
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
52
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
−Φ=
−Φ=
).(1
).(1
qrqss
qs
drdss
ds
iML
i
iML
i (3.25)
Après transformations des flux et courants, on aboutit au système suivant
. . . .
. . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
2.26
Équation mécanique :
Ω−−=Ω
rrem fCCdtdJ
Avec l'expression du couple électromagnétique en fonction des flux statoriques et courants
rotoriques :
( . . (3.27)
Avec
1 , , ,
Chapitre 3 : Etude et Modélisation de la MADA
53
3.9 Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre, l’étude de la machine asynchrone à double
alimentation, des généralités sur la MADA ainsi que ses différents modes de fonctionnement.
Afin de pouvoir représenter le modèle de la machine asynchrone à double alimentation dans
le repère (d-q), nous avons fait appel à la transformation de Park qui nous a simplifie notre
système, tout en tenant compte des hypothèses simplificatrices
Nous avons vu que ce n’est pas la vitesse de rotation de la machine qui impose le
mode de fonctionnement contrairement à la machine asynchrone à cage.
Le modèle de la MADA élaboré dans ce chapitre sera utilisé dans le chapitre suivant,
où nous présenterons la commande de la puissance active et réactive de MADA.
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
54
4. La Commande des puissances active et réactive de la MADA intégrée dans système éolien
4.1 Introduction
La commande vectorielle par orientation du flux présente une solution attractive pour
réaliser de meilleures performances dans les applications à vitesse variable pour le cas de la
machine asynchrone double alimentée aussi bien en fonctionnement générateur que moteur.
Dans ce chapitre, nous allons étudier la commande vectorielle de la MADA basée sur
l’orientation du flux statorique, utilisée pour la faire fonctionner en génératrice intégrée dans
système éolien. Cette dernière met en évidence les relations entre les grandeurs statoriques et
rotoriques. Ces relations vont permettre d'agir sur les signaux rotoriques en vue de contrôler
l'échange de puissance active et réactive entre le stator de la machine et le réseau. Nous allons
simuler tout le système global en utilisant le logiciel MATLAB.
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
55
4.2 Principe de la commande vectorielle
Le but de la commande vectorielle est d’arriver à commander la machine asynchrone
comme une machine à courant continu à excitation indépendante où il y a un découplage
naturel entre la grandeur commandant le flux, courant d’excitation et celle liée au couple, le
courant d’induit .ce découplage permet d’avoir une réponse très rapide du couple [4].La
figure (4.1) illustre l’équivalence entre l’expression du couple que l’on réalise avec la
commande découplée classique d’une machine à courant continu et la commande vectorielle
d’une machine asynchrone.
Fig .4.1. Équivalence entre la commande d’une MCC et la commande vectorielle d’une machine asynchrone
De nombreuses variétés ont été présentées dans la littérature, que l’on peut classer :
Suivant la source d’énergie :
• Commande en tension.
• Commande en courant.
Suivant l’orientation du repère :
• Le flux rotorique.
• Le flux statorique.
• Le flux d’entrefer.
Suivant la détermination de la position du flux :
• Directe par mesure ou observation de vecteur flux (module, phase).
• Indirecte par contrôle de la fréquence du glissement
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
56
4.3 Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique : On rappelle d’abord le système équations différentielles de la machine [2], [4], [7], [27].
(4.1)
(4.2)
Pour la machine asynchrone à double alimentation les variables de contrôle sont les tensions
statoriques et rotoriques. En considérant les flux statoriques et les courants rotoriques comme
des vecteurs d’état, alors le modèle de la MADA est décrit par les équations suivantes :
. . . .
. . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
4.3
Avec :
1 , , ,
P : le nombre de pair de pôles
4.3.1 Choix du référentiel pour le modèle diphasé
La méthode du flux orienté est basée sur le choix de repère de référence. En parlant
d’orientation du flux, c’est plutôt le système d’axe dq que l’on oriente de manière à ce que
l’axe d soit en phase avec le flux.
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
57
En orientant un des flux, le modèle obtenu de la MADA se simplifie et le dispositif de
commande qui en résulte l’est également. Un contrôle vectoriel de cette machine a été conçu
en orientant le repère de Park pour que le flux statorique suivant l’axe q soit constamment nul
[4], [8], [21].
Nous pouvons écrire donc :
, 0
(4.4)
(4.5)
Dans le repère triphasé a, b, c, la tension aux bornes d’une phase n du stator s’exprimé par la relation générale : (4.6) Si l'on néglige la résistance du bobinage statorique Rs, ce qui est une hypothèse assez réaliste
pour les machines de moyenne et forte puissance utilisées dans l'énergie éolienne, cette
relation devient [21]:
(4.7) Cette relation montre qu’un repère lié au flux statorique tourne alors à la même vitesse
angulaire que le vecteur tension statorique et qu’il est en avance de (Л/2) sur ce même
vecteur. Toujours dans l’hypothèse d’un flux statorique constant, on peut écrire :
0 , Le principe d’orientation de la tension et du flux statorique est illustré sur la figure (4.2)
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
58
Fig.4.2 : Orientation de la tension et de flux statorique
Dans l'hypothèse où le flux φds est maintenu constant, (ce qui est assuré par la présence
d'un réseau stable connecté au stator). Le choix de ce repère rend le couple électromagnétique
produit par la machine et par conséquent la puissance active uniquement dépendants du
courant rotorique d’axe q.
L’expression du couple électromagnétique devient alors :
. (4.8)
Le courant iqr sera rendu variable par action sur la tension vqr, le flux peut être contrôlé par le
réglage du courant idr. Ce dernier est rendu variable par action sur la tension vdr [21]
En utilisant les simplifications ci-dessus, nous pouvons simplifier les équations des
tensions et des flux statoriques comme suit :
0 (4.9)
0 (4.10)
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
59
4.3.2 Relation entre le courant statorique et le courant rotorique A partir des équations des composantes directes et quadrature du flux statoriques
(équation 4.10), Nous pouvons écrire les équations liant les courants statoriques aux courants
rotoriques :
(4.11)
4.3.3 Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques Dans un repère diphasé, les puissances active et réactive statoriques d’une machine
asynchrone s’écrivent :
(4.12)
L'adaptation de ces équations au système d'axe choisi et aux hypothèses simplificatrices effectuées dans notre cas (vds=0) donne :
(4.13)
En remplaçant ids et iqs par leurs expressions données à l'équation (4.11), nous obtenons :
(4.14)
A partir de l’équation (4-9), on peut avoir :
(4.15)
L’expression de la puissance réactive Qs devient alors :
(4.16)
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
60
Afin de montrer que la commande par orientation du flux statorique permet d’avoir un
découplage effectif des grandeurs réelles (couple, vitesse) de la MADA, on considère les
tensions rotoriques vdr, vqr comme variable de commande qui sont générées par le bloc de
contrôle à flux orienté et les courants rotoriques idr, iqr comme variable d’état. Ces grandeurs
sont fonction des grandeurs de consigne Pref et Qref.
Fig.4.3: Bloc du F.O.C (field oriented control)
(4.17)
Compte tenu du repère choisi et des approximations faites, et si l'on considère
l'inductance magnétisante M comme constante, le système obtenu lie de façon proportionnelle
à la puissance active au courant rotorique d'axe q et la puissance réactive au courant rotorique
d'axe d à la constante vs 2/Lsωs près imposée par le réseau.
4.3.4 Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques D’abord, pour les flux on a :
(4.18)
(4.19)
En remplaçant les courants statoriques par leurs expressions, on aura :
(4.20)
Commande à flux orienté F.O.C
Pref Qref
Vdr-ref Vqr-ref
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
61
Ces expressions des flux rotoriques d'axe d et q sont alors intégrées aux expressions
tensions rotoriques diphasées de l'équation (4-5). Nous obtenons alors :
(4.21)
En régime permanent, les termes faisant intervenir les dérivées des courants rotoriques
diphasés disparaissent, nous pouvons donc écrire :
(4.22)
En appliquant la transformation de Laplace à ces deux équations, on obtient :
(4.23)
v qr et v dr sont les composantes déphasées des tensions rotoriques à imposer à la machine pour
obtenir les courants rotoriques voulus.
est le terme de couplage entre les deux axes.
: représente une force électromotrice dépendante de la vitesse de rotation.
Les équations (4.14), (4.22) permettent d'établir un schéma bloc du système électrique à
réguler figure (4.4).
A partir des équations que nous venons de les mettre en place, nous pouvons établir les
relations entres les tensions appliquées au rotor de la machine et les puissances statoriques
que cela engendre, la figure ci-dessous décrit le schéma bloc de la machine asynchrone à
double alimentation
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
62
Fig 4.4 : Schéma bloc de la MADA [4]
4.4 Commande de la MADA
Dans cette section, nous allons présenter la régulation des puissances actives et
réactives, en utilisant les équations précédentes, il a été mis en évidence le lien entre, d’une
part la puissance active et la tension Vqr et d’autre part entre la puissance réactive et la tension
Vdr.
4.4.1 Mise en place de la régulation Considérons le schéma bloc du système à réguler de la figure 4.4 afin de
déterminer les éléments à mettre en place dans la boucle de régulation. Si l’on regarde la
relation qui lie les courants rotoriques aux puissances statoriques, on voit apparaître le terme
(MVs /Ls). Dans notre étude, nous avons considéré que l’éolienne était raccordée à un réseau
de forte puissance et stable, ce terme de est constant, nous ne placerons donc pas régulateurs
entre les courants rotoriques et les puissances [6][21][8].
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
63
Pour réguler la machine, nous allons mettre en place une boucle de régulation sur chaque
puissance avec un régulateur indépendant tout en compensant les termes d perturbation qui
sont présent dans le schéma bloc de la figure 4.4 [4].
Nous négligerons les termes de couplage entre les deux axes de contrôle du fait de la
faible valeur du glissement .nous obtenons une commande vectorielle avec un seul régulateur
par axe, présente sur la figure 4.5.
Fig 4.5 : Schéma de commande de la MADA [4]
4.4.2 Synthèse de régulateur PI Nous allons procéder à la synthèse de régulateurs nécessaires à la réalisation de la
commande en puissance active et réactive de la MADA. Le régulateur Proportionnel Intégral
(PI) reste le plus communément utilisé pour la commande de la MADA en génératrice [16],
ainsi que dans de nombreux systèmes de régulation industrielle. Il est simple et rapide de
mettre en œuvre tout en offrant des performances acceptables. [4], [22].
Les régulateurs de chaque axe ont pour rôle d’éliminer l’écart entre les puissances actives et
réactives de références et la puissance active et réactive mesurée.
Le dimensionnement du régulateur PI est présenté dans ce qui suit :
La figure (4.4) montre un système en boucle fermée corrigé par un régulateur PI
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
64
Fig.4.6 : Schéma bloc d’un système régulé par un PI
La forme du correcteur est la suivante :
⁄ (4.24)
Avec Kp : est le gain proportionnel du régulateur ; Ki : est le gain intégral du régulateur.
Si on considère la fonction du transfert suivante :
(4.25)
En boucle ouverte on aura la fonction de transfert suivante :
. (4.26)
On prend : (4.27)
Alors
(4.28)
En boucle fermée, la fonction de transfert s’écrit comme suit :
(4.29)
Pour notre système représenté dans (4.23), la fonction de transfert du
régulateur est donnée par:
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
65
(4.30)
(1 ) ( )
K iPK i K i K p K i K pK p K p p PP K p P P K p
K p
++ = + = + =
La fonction de transfert en boucle ouverte FBO.
. ⁄
. (4.31)
..
.
(4.32)
Afin d'éliminer le zéro présent sur la fonction de transfert, nous choisissons la méthode de
compensation de pôles pour la synthèse du régulateur, ce qui nous donne l’égalité suivante :
(4.33)
La fonction en boucle ouverte FBO devient :
. (4.34)
La fonction de transfert en boucle fermée FBF.
.
(4.35)
Le terme τ désigne ici le temps de réponse du système. Nous choisissons de fixer
celui-ci à 10 ms, ce qui représente une valeur suffisamment rapide pour l'application de
(4.30)
Fig.4.7 : Schéma bloc du système [4]
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
66
production d'énergie sur le réseau avec la MADA de 7,5 kW. Une valeur inférieure est
susceptible d'engendrer des régimes transitoires avec des dépassements importants et ne
présente pas d'intérêt particulier pour notre application [21].
Les termes Kp et Ki sont alors exprimés en fonction de ce temps de réponse et des
paramètres de la machine :
Donc 2
(4.36)
. 2 (4.37)
2
(4.38)
(4.39)
4.5 Prise en compte de l'onduleur côté rotor
Le rotor de la MADA est connecté au bus continu par l'intermédiaire d'un onduleur de
tension. La tension de sortie de ce dernier est contrôlée par une technique de modulation de
largeur d’impulsion (MLI) qui permet le réglage simultané de la fréquence et de la tension de
sortie de l’onduleur.
Fig.4.14 : Onduleur triphasé à deux niveaux
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
67
4.6 Modulation de largeur d’impulsion MLI Elle consiste à convertir une modulante (tension de référence au niveau commande),
généralement sinusoïdale, en tension sous forme de créneaux successifs, générée à la sortie de
l’onduleur (niveau puissance). Au niveau électronique, son principe repose sur la comparaison
de la modulante avec la porteuse (tension à haute fréquence de commutation). La valeur du
rapport de fréquences entre une bonne neutralisation des harmoniques et un bon rendement de
l’onduleur [9]. Celui-ci est pris en compte dans les simulations par l'intermédiaire de
l'équation classique suivante :
2 1 11 2 11 1 2
(4.40)
Avec : VAO =E/2S1 S1=1 Si K1 fermé (vr1≥ vp) Si non S1= -1
VBO =E/2S2 ou S2 =1 Si K2 fermé (vr2≥ vp) Si non S2= -1
VCO =E/2S3 S3 =1 Si K2 fermé (vr3≥ vp) Si non S3= -1
S1, S2 et S3 sont des fonctions logiques correspondant à l'état des interrupteurs de l'onduleur
(+1 lorsque l'interrupteur haut d’un bras de l’onduleur est fermé, -1 quand il est ouvert) et E
est la tension du bus continu.
4.7. Convertisseur coté réseau Les deux convertisseurs interposés entre le rotor et le réseau sont à deux niveaux.
Commandés par MLI (Figure 4.15), ils sont bidirectionnels en puissance donc répondant aux
exigences de ce type d’application. Chaque convertisseur a six interrupteurs (transistors
IGBT) qui peuvent être commandés à l’ouverture et à la fermeture.
Plusieurs études récentes montrent la viabilité de ce dispositif dans un système éolien
à vitesse variable [7], [20], [21]. La bidirectionnalité du convertisseur rotorique autorise le
fonctionnement en hypo synchrone et le contrôle du facteur de puissance coté réseau. Le
convertisseur est alors dimensionné pour un tiers de la puissance nominale de la machine si le
glissement reste inférieur à +30% autour du synchronisme. [4], [20], [21].
L’avantage de la commande MLI ne s’arrête pas au contrôle de la puissance active,
mais la puissance réactive également, permettant à ce type de convertisseur de corriger le
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
68
facteur de puissance du réseau. Ainsi, la commande MLI nous permet d’avoir une bonne
qualité de signal (formes sinusoïdales), ramenant le contenu harmonique vers des fréquences
élevées et par la suite la facilité de filtrage [9].
Le rôle principal du convertisseur coté rotor est de contrôler le couple ou la vitesse de la
MADA et le facteur de puissance au stator, cependant l’objectif principal du convertisseur
coté réseau est de maintenir la tension du bus continu constante quelle que soit l’amplitude et
le sens de la puissance. [20]
Fig.4.15 : Structure avec deux convertisseurs MLI -MADA
4.8 Intégration de la MADA dans un système éolien
Après avoir modélisé la machine asynchrone à double alimentation, la partie
mécanique de la turbine éolienne, élaboré la commande vectorielle de la puissance active et
réactive, nous allons dans ce qui suit étudier le système global de conversion d’énergie
éolienne à base de MADA.
Le modèle mathématique de la turbine déjà établi précédemment montre que la
puissance aérodynamique est directement liée au cube de la vitesse du vent et de la surface
balayée par les pales de la turbine, le coefficient Cp et la densité de l’air. L’équation (4.42) représente le coefficient Cp en fonction de vitesse spécifique qui est définie comme étant le rapport entre la vitesse linéaire des pales
Ωturbine. R, et la vitesse du vent v.
λ =v
Rturbine.Ω (4.41)
7.9563. 10 17.375. 10 9.86. 10 9.410 6.38. 10
0.001 (4.42)
Bus DC
MADA
RSC GSC Turbine éolienne
Multiplicateur
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
69
Dans notre block, nous aurons comme grandeur de référence la puissance statorique qui liée
directement à la vitesse du vent, et la puissance réactive statorique qui sera maintenue nulle
afin d’avoir un facteur de puissance unité.
Fig. 4.16. Schéma du système éolien global
4.9 Simulation du système
Dans ce qui suit, nous allons présenter les résultats de simulation du modèle de la
machine asynchrone à double alimentation intégrée dans un système éolien. Nous avons
choisi un profil du vent pour une période de 30 secondes, afin d’avoir une puissance active de
référence, La consigne de puissance réactive sera maintenue nulle de façon à garder un facteur
de puissance unitaire côté stator. Les figures ci-dessous montrent les performances de la
commande vectorielle en puissance actives et réactives statorique appliquée à la MADA
intégrée dans un système éolien.
Les paramètres de la MADA utilisée :
=0
Ω
Bus DC
PWM
Régulateur PI
Régulateur PI
Mesure de puissance
RSC GSC
,
MADA
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
70
7.5 KW, 220V/50Hz à 2 paires de pôles Vs : 220V/50Hz. Rs (Résistance du stator) =0.7384 Ω Rr (Résistance du rotor) =0.7402 Ω
Ls (Inductance stator) = 0.1244045H
Lr (Inductance du rotor) = 0.1244045H
M (Inductance Mutuelle) = 0.1244045H
J (Moment d’inertie) = 0.0343 Kg.m2
f (Coefficient de frottement) = 0.000503N.m.s/rd
Les paramètres de la turbine éolienne utilisée : Nombre de pale =3, la longueur d’une pale
R=2, Gain du multiplicateur : G=95
Fig. 4.17. Schéma block du model Simulink
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
71
0 5 10 15 20 25 308
9
10
11
12
13
14
15
Temps (s)
La v
itess
e du
Ven
t (m
/s)
0 5 10 15 20 25 30-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1x 10
4
Temps(s)
Pui
ssan
ce a
ctiv
e st
ator
qiue
(W
)
Puissance Active Statorique mesurée (W)
0 5 10 15 20 25 30-3
-2
-1
0
1
2
3x 10
4
Temps(s)
Pui
ssan
ce r
eact
ive
(VA
R)
Puissance reactive statorique avec sa référence
Q(VAR)
Qref
Fig 4.18 profile du vent utilisé dans la simulation
Fig 4.19 puissance réactive statorique mesurée avec sa référence
Fig. 4.20 puissance active statorique mesurée
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
72
0 5 10 15 20 25 30-10000
-9000
-8000
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
Temps (s)
Pui
ssan
ce a
ctiv
e de
réf
éren
ce (
W)
22 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 23
-30
-20
-10
0
10
20
30
Temps (s)
Cou
rant
Rot
oriq
ue (A)
Courant Rotorique (A)
12 12.2 12.4 12.6 12.8 13 13.2 13.4 13.6 13.8 14-30
-20
-10
0
10
20
30
Temps (s)
Cou
rant
ira
(A)
Courant rotorique ira (A)
Fig. 4.21. Puissance active statorique de Référence
Fig 4.22 Courant rotorique d’une phase de la MADA Fig 4.23 Courant rotorique de la MADA
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
73
2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25-300
-200
-100
0
100
200
300
Temsp(s)
Ten
sion
et
Cou
rant
Sat
oriq
ues
Courant isa (A)
Tension vsa (V)La tension en avancede 180° sur le courant
2*isa
25 25.02 25.04 25.06 25.08 25.1 25.12 25.14 25.16 25.18 25.2-30
-20
-10
0
10
20
30
Temps (s)
Cou
rant
sta
toriq
ue (
A)
Courant statorique (A) de la MADA
Fig. 4.24 Tension et courant statorique de la MADA Fig. 4.25 Courant statorique de la MADA
4.10 Interprétation des résultats
Les figures ci-dessus représentent les résultats de simulation obtenus par la
commande des puissances actives et réactives générées au niveau du stator de la MADA,
Cette commande permet de découpler les expressions de la puissance actives et
Chapitre 4 : La Commande des puissances de la MADA intégrée dans un système éolien
74
réactives du générateur ou celle du flux et du couple. La composante en quadrature du
courant rotorique iqr contrôle le couple électromagnétique et la puissance active statorique ,
et la composante directe idr contrôle la puissance réactive échangée entre le stator et le
réseau.
Nous remarquons que les grandeurs de référence ont été bien suivies par la MADA
pour les deux puissances active et réactive, la puissance active statorique a la même allure
que celle de la vitesse du vent, la puissance réactive statorique est nulle.
Nous remarquons également que la puissance active statorique (Fig.4.20) est négative ce qui
signifie que la MADA produise de l’énergie et la fournie au réseau. Ainsi la puissance
réactive est nulle, ce qui nous permet d’avoir un facteur de puissance unitaire.
Nous remarquons que la tension statorique est en avance de 180° sur le courant
statorique, ce qui montre aussi que nous avons un facteur de puissance unitaire et que la
puissance statorique active est négative ( ce qui confirme que la MADA produise de l’énergie
électrique)
4.11 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons étudié la commande vectorielle de la MADA basée sur
l’orientation du flux statorique, utilisée pour la faire fonctionner en génératrice. Cette
méthode nous a permis non seulement de simplifier notre modèle mathématique mais aussi,
elle nous a assuré un découplage entre le couple et le flux. Nous avons vu également que la
composante directe du courant rotorique contrôle la puissance réactive, et la composante en
quadrature contrôle la puissance active, chose qui nous a permis d’avoir des performances
dynamiques élevées similaires à celle obtenues avec la machine à courant continu (MCC) ;
Nous avons aussi présenté les résultats de simulation de la MADA avec un
convertisseur coté rotor et un convertisseur coté réseau dont le but est d’obtenir une
alimentation variable en tension et en fréquence à partir d’une source continue.
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
75
5. Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
5.1 Introduction
Pour répondre aux besoins énergétiques croissants dans les sociétés actuelles, tout les
pays du monde construisent des centrales électriques pour pouvoir compenser la demande en
énergie qui ne cesse d’augmenter, et pour cela, il faudrait la produire, la transporter et la
distribuer vers chaque consommateur, ce qui représente un lourd investissement pour les sites
isolés de notre pays. Installer des lignes électriques sur des centaines de kilomètres ne pourra
pas résoudre ce problème. Ceci est par le faite de la présence des contraintes dues aux
intempéries dont le vent de sable, les gradients de température entre les différentes saisons et
celle entre la nuit et le jour pour la saison hivernale. Utilisés le générateur diesel seul coûte
trop cher. A cet effet, nous avons pensé à contourner le problème par une autre solution à
savoir le système hybride.
Les systèmes de génération éolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
l’électricité à de petites communautés sont assez répandus. La caractéristique intermittente du
vent est à l’origine de systèmes hybrides avec un soutien diesel et/ou photovoltaïque pour
l’utilisation dans des endroits isolés. Pour augmenter la puissance, les turbines éoliennes
peuvent être regroupées en parcs éoliens et transférer l’énergie au réseau public à travers leurs
propres transformateurs, lignes de transport et sous-stations. Dans le domaine de
l’électrification rurale, il existe normalement deux méthodes pour fournir de l’énergie
électrique :
a) Extension du réseau de puissance
b) Utilisation de générateurs diesel.
Pour des lieux éloignés ces deux solutions peuvent être excessivement onéreuses.
L’introduction de technologies renouvelables peut contribuer à diminuer les coûts de
fourniture d’énergie pour ces sites isolés en réduisant les coûts de fonctionnement. Les
technologies renouvelables, autres que la biomasse, sont dépendantes d’une source non fatale
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
76
(Dispatchable) ; la combinaison d’une technologie renouvelable de coût faible avec une
technologie non-fatale plus coûteuse représente donc une option intéressante.
Dans ce chapitre, nous allons présenter la carte des vents de l’Algérie, et les vitesses
moyennes mensuelles de chaque région du pays, nous allons considérer un site isolé situé
dans la région de Tindouf au sud-ouest du pays, qui comporte une vingtaines de maisons,
nous déterminerons la puissance maximale à fournir pour assurer une alimentation continue et
de bonne qualité, afin de pouvoir montrer la faisabilité et la rentabilité de notre système, nous
allons fait appel au logiciel de modélisation énergétique HOMER (Hybrid Optimisation
Model for Electric Renewables).
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
77
5.2 La carte des Vents de L’Algérie Pour connaître l’importance du vent en un point donné, il suffit de déterminer la
vitesse moyenne arithmétique annuelle pondérée, calculée sur un échantillon de 10
années minimum. Cette dernière donne un ordre de grandeur de la vitesse du vent sur
un site donné. Par ailleurs, les vents varient différemment selon la saison, la journée et
l’année. Cette variation doit être déterminée puisqu’elle permet d’adapter le
dimensionnement des systèmes éoliens aux besoins énergétiques qui peuvent varier
suivant les saisons, la journée ou l’année.
La carte des vents de l’Algérie, estimée à 10 m du sol est présentée en figure 5.1.
Les vitesses moyennes annuelles obtenues varient de 2 à 6.5 m/s. On remarque qu’à
l’exception de la région côtière (moins Bejaia et Oran), du Tassili et de Beni Abbés, la vitesse
de vent moyenne est supérieure à 3 m/s, la région centrale de l'Algérie est caractérisée par des
vitesses de vent variant de 3 à 4 m/s, et augmente au fur et a mesure que l'on descend vers le
sud-ouest. Le maximum est obtenu pour la région d'Adrar avec une valeur moyenne de 6.5
m/s. Cependant, nous pouvons observer l'existence de plusieurs microclimats où la vitesse
excède les 5 m/s comme dans les régions de Tiaret, Tindouf et Oran [11].
Fig 5.1 : Atlas de la vitesse moyenne du vent de l’Algérie estimée à 10 m du sol [11].
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
78
5.3 La vitesse moyenne saisonnière du vent en Algérie
Les figures ci-après montrent que les périodes estivales et printanières sont plus
ventées que le reste de l'année, tous les atlas établis présentent la région sud ouest, à
savoir Adrar, Timimoun et In Salah comme la zone les plus ventée, à l’exception de
l’atlas hivernal qui se distingue par le microclimat de Tiaret qui présente les vitesses
de vent les plus élevées. [11].
Fig5.2 : Atlas saisonniers de la vitesse moyenne annuelle à 10 m du sol [11].
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
79
Le tableau (5.1) ci-dessous représente les vitesses moyennes mensuelles en Algérie. Nous
remarquons que les mois (Avril, mai, juin) sont les plus ventés de l’année. Nous remarquons
aussi que la région sud ouest du pays est la plus ventée. Pour notre cas nous allons nous
intéresser de la région de Tindouf avec une vitesse moyenne annuelle de 5.7 m/s et une
vitesse moyenne printanière de 7 m/s.
Tableau (5.1) : Vitesses mensuelles et annuelles moyennes des différents sites en Algérie [5]
5.4 Evolution de l’éolien dans les sites isolés
Les turbines éoliennes installées dans un système isolé d’une communauté rurale
diffèrent des turbines placées dans les fermes éoliennes « offshore » au Danemark. Il est utile
de présenter une catégorisation des systèmes de puissance selon le niveau de puissance
installée. Une classification est montrée dans le Tableau 5.2.
Elévation Latitude Longitude Janvier Fevrier Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Décembre Annuelle
Adrar 280 27.8 -0.2 6.2 6.4 6.5 6.5 6.9 6.1 6.7 6.2 6 5.8 5.9 5.8 6.3
Ain Sefra 1174 25 -0.6 4.6 5.1 5.4 5.2 5.2 4.9 4.3 4.2 4.1 4 4.2 4.9 4.7
Algiers 25 36.8 3.1 2.2 2.2 2.2 2.1 1.9 1.8 1.6 1.5 1.6 1.4 1.9 2.4 1.9
Annaba 4 36.8 7.8 2.5 2.4 2.5 2.2 2.1 2.2 2.4 2.3 2.3 1.8 2.4 2.5 2.3
Batna 822 35.2 6.3 2.9 3.1 3.6 3.2 2.7 3 3 3.1 3 2.7 2.6 3.3 3.0
Bechar 881 31.7 -2.3 3.2 3.2 4.1 4.6 5 4 4.1 4 3.7 2.8 2.9 3.1 3.7
Bejaia 2 36.7 5.1 3.7 3.4 2.9 2.8 2.5 2.4 2.4 2.3 2.7 3.2 3.6 4.1 3.0
Biskra 87 34.8 5.7 3.9 4.3 4.9 5.3 5.1 4.3 3.8 3.7 3.9 3.3 4 4.1 4.2
Bou-Saada 461 35.3 4.2 5.5 5.1 6.3 5.1 4.3 3.2 2.5 2.6 2.8 3.1 4.7 5.5 4.2
Chlef 143 36.2 1.3 3.1 3.5 3.3 2.6 3 2.7 2.1 2.4 2.7 2.9 3 3.1 2.9
Constantine 694 36.3 6.6 4 3.3 3.5 2.7 2.5 2.1 1.8 2 2 2.1 2.8 3.4 2.7
Djannet 967 24.3 9.5 3 2.9 3.5 4.1 4 4.2 4.1 4.2 3.5 3.2 2.4 2.4 3.5
Djelfa 1144 34.7 3.2 3.2 5 5.2 5.6 4.7 5.1 4 4.2 4 3.9 3.6 3.5 4.3
El-Golea 397 30.6 2.9 2.8 3.8 4.3 4.2 4.7 3.9 3.3 3.2 3.7 3.5 2.6 3 3.6
Eloued 61 33.5 6.8 2.6 2.7 3.6 4 3.9 3.8 3.5 3.5 3 2.6 2.3 2.6 3.2
Ghardaia 450 32.4 3.8 3.5 3.2 4.4 4.5 3.9 3.5 2.9 2.7 3 2.8 2.8 3.5 3.4
Guelma 4 36.5 7.7 2.4 2.3 2.5 2.2 2.1 2.1 2.4 2.3 2.3 1.8 2.4 2.5 2.3
Griss 90 35.2 0.2 2.7 2.3 2.3 2 2.1 1.7 1.5 2 1.9 1.9 2.6 2.7 2.1
H Messaoud 142 31.7 6.2 3.2 3.3 4.1 4.2 4.8 4.1 3.4 3.7 3.9 3.5 2.8 3.1 3.7
H R'mel 774 32.9 3.3 5.7 6.3 7.6 8.1 7.8 6.6 5.3 5.4 5.4 4.8 4.5 5.7 6.1
Illizi 558 26.5 8.4 3.7 3.7 4.1 4.1 4.5 4.9 4.6 4.6 4.3 3.9 3.7 3.4 4.1
Inamenas 652 28 9.6 3.9 4.5 5 5.2 6 5.7 4.6 4.8 4.7 4.4 3.9 3.8 4.7
Insalah 293 27.2 2.5 5.3 4.9 5.5 5.1 5.6 5.3 5.6 5.3 4.9 4.6 4.7 4.3 5.1
Jijel 11 36.8 5.9 2.6 2.9 3.3 2.8 2.1 2.1 2.1 2 2.1 2.2 2.5 3.1 2.5
Laghouat 765 33.8 2.9 3.4 3.4 3.9 4.3 3.8 3.6 3 2.9 2.8 2.6 2.7 3.3 3.3
Oran 90 35.6 -0.6 2.7 2.8 3.2 3 3 2.9 2.6 2.3 2.3 2.1 2.4 2.7 2.7
Ouargla 142 31.9 5.4 3.1 3.3 4.3 4.2 4.9 4.7 4 4.1 4.3 3.5 2.8 2.8 3.8
Setif 1040 36.2 5.3 3.4 3.8 3.8 3.7 3.3 3.4 3.2 3.3 3.4 3 3.2 3.1 3.4
Tamanarasset 1378 22.8 5.4 3.4 2.9 2.9 2.9 3.1 3.2 3.3 3.2 3 2.9 2.5 2.6 3.0
Tebessa 811 35.4 8.1 3.2 3.2 3.5 3.1 2.9 2.5 2 2.1 2.3 2.4 2.9 3.3 2.8
Timimoun 312 29.2 0.3 5 5.6 5.3 5.9 6.1 4.8 4.9 4.9 4.5 4.1 4.4 4 5.0
Tindouf 431 27.7 -8.1 4.6 5.4 5.3 7 7.3 7.3 5.6 6.2 6.7 4.7 4.3 4 5.7Tlemcen 247 35 -1.5 3.7 3.2 3.3 2.3 2.1 1.8 1.5 1.6 1.4 2.4 3.1 3.9 2.5
Touggourt 85 33.1 6.1 2.9 3.1 3.9 4.1 4.2 3.7 3.4 3.7 3.2 2.9 2.5 2.9 3.4
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
80
Tableau 5.2. Classification des systèmes de puissance [16]
Un microsystème utilise typiquement une petite turbine éolienne avec une capacité de moins
de 1 kW.Un système pour un village a généralement une capacité entre 1 kW et 100 kW, avec
une ou plusieurs turbines éoliennes de l’ordre de 1 à 50 kW [16].
Un système de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqu’à 10 MW de puissance
installée et ses éoliennes sont dans la gamme des 100 kW à 1 MW. Un grand système de
puissance interconnecté est normalement plus grand que 10 MW, avec plusieurs grandes
turbines éoliennes de plus de 500 kW installées sous forme de centrales d’énergie éolienne ou
de fermes éoliennes [16].
5.4.1 Taux de Pénétration du Vent La quantité d’énergie récupérée par les technologies associées aux sources
renouvelables dans les systèmes de puissance isolés influence la structure, la performance et
l’économie du système. Le taux de pénétration du vent relie la puissance produite par des
moyens de génération éoliens et la puissance totale du système de puissance.
Le rapport de pénétration instantanée (Pwind/Pload) est une mesure technique qui
détermine la structure, les composants et les principes de commande à utiliser pour le
système. Le rapport de pénétration moyenne (Ewind/Eload) est une mesure de type
économique qui détermine le coût de l’énergie du système et indique le pourcentage de la
génération qui sera produite par la source renouvelable. La détermination du niveau optimal
de pénétration moyenne de l’éolien dépend de l’écart entre le coût d’installation de la
puissance éolienne et les économies associées au remplacement du carburant par l’énergie
renouvelable [16].
Les valeurs de pénétration du vent diffère tout dépends du système installé, pour un
microsystème devraient être supérieures à 90 % de la génération totale et entre 60% et 100%
pour le système alimentant un village. Pour un système isolé de forte puissance, le niveau de
pénétration du vent n’aurait pas de limites (ni inférieure ni supérieure) mais, pour un grand
<1
1-100100- 10000>10000
Systemes de puissance pour ileGrands Systemes interconnectés
Système DC d’un seul nœud
Système de puissance de petite tailleRéseau de puissance isoléGrand système de puissance
Puissance installée (KW) Description
Micro Systemes
Systemes de puissance pour village
Catégorie
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
81
système interconnecté (> 10 MW), la valeur maximale proposée est de l’ordre de 65%.
[1][16]
Les raisons principales des faibles niveaux de pénétration dans les plus grands
systèmes sont alors principalement économiques, même si actuellement le coût de production
de l’énergie éolienne est à un niveau équivalent à celui de la plupart des sources
conventionnelles. Pour n’importe quelle configuration donnée, il y a un taux de pénétration
éolien limite, au dessus duquel le retour économique d’un ajout d’énergie éolienne commence
à diminuer.
Le tableau 5.3 montre un résumé des plus grands systèmes de puissance hybrides
installés dans le monde au cours de la dernière décennie. Tous ces systèmes produisent de
l’électricité pour leurs communautés, cependant la plupart d’entre eux sont installés dans le
cadre de projets de démonstration ou de validation avec un certain degré de cofinancement
public. D’autres systèmes ont été installés dès la moitié des années 80 par quelques
laboratoires de recherche d’Amérique du Nord et d’Europe [1]. Le niveau de puissance de ces
diverses applications va de quelques quinzaines de kW à la centaine de kW.
Tableau 5.3. Liste d’une sélection de systèmes de puissance hybrides installés dans le monde pendant la dernière dizaine d’années [1] [16]
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
82
5.4.2 Systèmes Hybrides avec Technologie Eolienne
Pour les systèmes utilisant un bus DC, le groupe de batteries joue le rôle de réservoir
de puissance qui permet d’amortir les fluctuations du flux de charge à très court terme et à
long terme.
Pour les systèmes à courant alternatif, l’objectif est d’obtenir un équilibre de la
production énergétique, réglant la tension et la fréquence. Pour obtenir une tension à une
amplitude et une fréquence stables, diverses méthodes sont utilisées, comme les
condensateurs synchrones, des groupes de batteries contrôlables, mécanismes de stockage, des
convertisseurs électroniques de puissance et des systèmes de commande [16].
Systèmes Hybrides DC pour des Petites Communautés Isolées
La figure 5.3 montre un système de petite puissance DC conventionnel avec une
liaison en courant alternatif à travers un onduleur.
La commande de ces petits systèmes est faite en fonction de l’état de charge de la
batterie. Le générateur éolien doit limiter sa tension de sortie et dériver la puissance produite
lorsque la batterie est complètement chargée et ne peut donc plus stocker d’énergie. A
l’opposé, l’onduleur et la charge doivent se déconnecter pour arrêter la décharge de la batterie
quand la tension atteint un niveau limite inférieur prédéfini. Ces deux propriétés impliquent
une conception adaptée du système, optimisant ainsi les ressources énergétiques et conduisant
à une quantité minimale d’énergie non fournie.
Fig 5.3. Système hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et générateur diesel
Photovoltaïque
Turbine éolienne
Générateur Diesel
DC Bus
Charge DC
Charge AC
Batteries
Onduleur
Contrôleur T- Eolienne Contrôleur
PV
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
83
Systèmes Hybrides AC pour des Petites Communautés Isolées Le système dans la figure 5.4 représente une topologie d’un mini- réseau, les
différentes sources de production sont raccordées au bus commun de distribution en courant
alternatif avec des onduleurs, l’avancement technologique des convertisseurs statiques peut
rendre cette topologique faisable techniquement et économiquement.
5.4.3 Systèmes Hybrides Wind-Diesel L’association des turbines éoliennes avec des génératrices Diesel pour les systèmes
isolés de grande puissance est nommée Wind-diesel, cette topologie a pour but principal la
production d’énergie avec des éoliennes tout en réduisant la consommation du carburant et en
garantissant une qualité de l’énergie acceptable.
L’un des défis présenté par l’incorporation de l’énergie du vent dans les centrales
diesel est la difficulté de réguler la tension et la fréquence du système, car la production des
éoliennes est liée aux conditions aléatoires du vent. Les problèmes de stabilité de la tension et
de la fréquence augmentent avec la quantité relative de production éolienne par rapport à la
puissance totale du système. Ceci illustre la manière dont le taux de pénétration du vent dans
le système de puissance peut influencer fortement la conception du système et de ses
composants [1] [16].
Fig 5.4. Système hybride de puissance avec mini réseau avec sources renouvelables
Batteries Charge AC
Turbine éolienne Générateur
Diesel
Photovoltaïque
Onduleur T- Eolienne
Onduleur Contrôleur
PV
AC Bus
Onduleur Bidirectionnel
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
84
5.5 Le choix et les caractéristiques du village à alimenter
Les données climatiques de la carte du vent d’Algérie montrent que la partie sud ouest
du pays est la région la plus ventée, en outre c’est une région isolée sous-peuplée, ces deux
facteurs qui nous ont amenés à choisir un village isolé situé à la région de Tindouf, afin de
pouvoir l’alimenter en énergie électrique, nous allons utiliser un système éolien ou Hybride.
Le tableau (5.1) montre que la vitesse moyenne mensuelle varie entre 4 et 7.3m/s, et
avec une vitesse moyenne annuelle qui atteint 5.7m/s, pour pouvoir dimensionner les
éléments de notre système, nous allons définir notre village à alimenter dans ce qui suit.
Nous allons considérer un village isolé avec (Eau potable, Clinique médicale,
Eclairage public, poste de télécommunication). Ce dernier comporte vingt foyers, nécessite
une alimentation continue en énergie électrique. Pour calculer les besoins énergétiques de ce
site, nous allons les diviser en trois :
Usage domestique : Pour l’usage domestique, nous allons considérer une maison
commodité (éclairage, téléviseur avec accessoires, réfrigérateur) .ce qui nécessite un
pic de puissance de 1.5KW/maison, donc la puissance totale pour l’usage domestique
pour notre village est 30 KW.
Usage publique : pour assurer l’alimentation de l’éclairage publique 1KW (100W/
poteau), d’une mosquée (600W), d’un poste de télécommunication (800W), une petite
clinique pour les premiers soins (800W) et une petite école de trois classes (1.8KW),
la puissance totale est de 5KW.
Pompes d’eau : pour assurer l’alimentation en eau potable pour les villageois, et
l’utilisation agricole, des pompes sont installées au niveau des puits d’eau, ce qui
nécessite une puissance de 5KW.
Finalement la puissance maximale totale à fournir à ce village est de 40 KW.
Pour étudier la faisabilité et la rentabilité de notre système, nous allons fait appel au logiciel
de modélisation énergétique HOMER (Hybrid Optimisation Model for Electric Renewables).
5.6 Présentation du logiciel HOMER
Le logiciel de modélisation énergétique HOMER (Hybrid Optimisation Model for
Electric Renewables) est un outil puissant pour la conception et l'analyse des systèmes de
production d'électricité hybrides, composés de groupes électrogènes, de systèmes de
cogénération, d’éoliennes, de systèmes photovoltaïques, de systèmes hydrauliques, de
batteries, de piles à combustible, de la biomasse et bien d'autres. Récemment HOMER a été
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
85
utilisé largement dans l’étude technico-économique des systèmes hybrides, en Algérie [5], en
Arabie Saoudite [25], en Romanie [26].
Dans notre cas, nous souhaitons électrifier notre village décrit précédemment. Nous
connaissons alors les besoins en électricité et compte tenu des ressources locales en énergie,
nous souhaitons répondre à ces besoins électriques à l'aide d'un système éolien ou hybride
éolien / groupe électrogène. Le logiciel HOMER va nous aider à choisir la solution qui
convient à notre cas tout en comparant les résultats obtenus.
5.7 Application d’un système éolien/diesel sur le site de Tindouf
Nous allons étudier la faisabilité technique et économique d’un système éolien avec
batteries pour l’alimentation de notre village déjà décrit précédemment, en faisant appel au
logiciel Homer; nous rappelons que la puissance maximale à fournir est 40KW.
Pour notre premier cas, nous allons choisir notre turbine éolienne en se basant sur la puissance
maximale à fournir aux villageois, et le potentiel éolien énergétique du notre site.
Par ailleurs la puissance récupérable par une turbine éolienne est proportionnelle à la
vitesse du vent au cube, c à d, si la vitesse du vent diminue de la moitié, la puissance sera
divisée par 8, afin de pouvoir compenser à cette diminution, nous allons choisir une turbine
éolienne de 100 KW.
Pour le générateur diesel, nous allons choisir une marge de puissance entre 0KW et 40
KW, afin de donner au logiciel HOMER d’étudier tout les cas possibles.
De même pour le convertisseur, nous choisirons une marge de puissance de 5 KW jusqu’au
40 KW.
Nous allons choisir les batteries comme système de stockage, elles seront conçus pour
couvrir la moitié de la puissance maximale pendant 3heures/jours et cela pendant deux jours
successifs d’autonomie, ces batteries seront connectées en série de telle sorte d’atteindre une
tension nominale de 480V dans le bus continu, si on choisit une batterie de 12 Volts il nous
faudra 40 pièces pour avoir 480 V ,la moitié de la puissance maximale est 20 KW, pendant 3
heures/jour, 20 *3=60 KWh/jour avec 480 V à la sortie des batteries, donc nous aurons
125Ah/jour et 250 Ah pour deux jours, nous choisirons 300 Ah / 480V, et afin de donner à
HOMER d’examiner plusieurs scénarios, nous allons fait entrer 1 à 3 chaînes de batteries en
parallèle de 200Ah.
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
86
Ce pré-dimensionnement nous aide à choisir les composants de notre système, nous allons
maintenant faire appel au logiciel HOMER afin de voir la faisabilité technico-économique de
notre système.
Donc, notre système comporte une turbine éolienne, un générateur diesel, un système de
stockage, un convertisseur.
Comme, nous l’avons mentionné précédemment, HOMER permet de déterminer
comment les sources d'énergies intermittentes comme l'éolien et le solaire peuvent être
intégrée de manière optimale au sein des systèmes hybrides.
Pour y parvenir, nous allons tout d’abord :
Choisir le système à étudier, pour notre cas (éolienne, un générateur diesel, un
système de stockage (batteries), un convertisseur).Ces composants sont déjà
prédéfinis dans notre logiciel ; nous détaillerons chaque composant tout seul.
Faire entrer les détails de la charge (les entrées des simulations exécutées par le
logiciel). La charge en entrée correspond à la demande en électricité auquel le
système doit répondre.
Saisir les détails des ressources (vitesse du vent, diesel)
Saisir les détails économiques
Saisir les contraintes du système
5.7.1 Détails de la charge Nous avons déjà déterminé la puissance maximale à fournir pour notre village isolé,
mais en réalité la charge varie pendant de la journée, donc la demande en énergie électrique
varie aussi pendant le mois, la saison, et l’année, nous allons faire entrer dans ce qui suit une
puissance approximative pour chaque heure tout en respectant les périodes creuse, pleine et de
pointe ; et ça pour toute la période de l’année.
Fig 5.5.Profil journalier de la charge en (KW)
0 6 12 18 240
10
20
30
40
Load
(kW
)
Daily Profile
Hour
Tableau 5.4.Puissance pour chaque heure pendant la journée en (KW)
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
87
7.5.2 Détails des composants Nous allons dans ce qui suit détailler chaque composant de notre système.
La turbine éolienne : nous avons opté pour une turbine éolienne de puissance
nominale de 100 KW dont la courbe de puissance est illustrée dans la figure (5.6)
Pour notre cas, nous allons choisir un système avec une seule turbine éolienne, pour cela
nous fixerons dans l’onglet Quantité des turbines deux valeurs 1 et 0, c a d, le logiciel Homer
va considérer un système qui contient une turbine ou bien aucune, il va étudier toutes les
configurations possibles en tenant compte des contraintes technico-économiques (charge, prix
des composants et du fuel, les ressources énergétiques, les contraintes environnementales)
On fait entrer le prix de la turbine qui sera fixé à 140 000 $ (11161333.128 DZD, selon
le taux de change du mois d’Octobre 2012), soit 1400$/KW (111613.3 12 DZD/KW) [12],
son coût en remplacement 100000 $ (7972380.805 DZD) et ses coûts d'opération et
maintenance 2800 $/An (223226.663 DZD/An) environ 2% du prix de la turbine. Le générateur Diesel : comme nous l’avons déjà signalé précédemment, nous
choisissons une marge de puissance entre 0 KW et 50 KW, afin de donner au logiciel
0 5 10 15 20 250
20
40
60
80
100
120
140
Pow
er O
utpu
t (kW
)
Wind Speed (m/s)
Fig 5.6.Courbe de puissance de la turbine éolienne
Fig 5.5.Profil mensuel de la charge en (KW)
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Ann26
30
34
38
Load
(kW
)Seasonal Profile
maxdaily highmean
daily lowmin
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
88
HOMER d’étudier tout les cas possibles y compris la configuration sans groupe
électrogène ;
Tout d’abord, dans l’onglet Generator, on rentre la plage des puissances du groupe (en
kW) qui sera considéré, son coût à l'achat (500$/KW, 39861.9 DZD/KW), son coût en
remplacement (en 400$/KW, 31889.5DZD/KW) et ses coûts d'opération et maintenance
(0.015$/KW/h ; 1.20DZD/KW/h) [32].
Les coûts d'opération et maintenance comprennent ceux de l'opérateur plus à 5% de
l'investissement par an. Ils ne comprennent pas ceux liés à la consommation de carburant.
Nous choisissons comme carburant le diesel qui est déjà prédéfinit.
Le convertisseur : Chaque système contenant à la fois des éléments à courant continu
et à courant alternatif doivent être doté d'un convertisseur. Dans la table des tailles à
considérer, on donne les puissances qui seront utilisées pour les simulations. On
utilise une valeur maximale de 40 kW compte tenu des calculs effectués lors du pré-
dimensionnement. Dans la table des coûts, on rentre son coût à l'achat (en
1000$/KW,79723.8DZD/KW), son coût en remplacement (1000$/KW,
79723.8DZD/KW), et ses coûts d'opération et maintenance (10$/KW). Les coûts
d'opération et maintenance sont estimés à 1% de l'investissement par an [32].
Les batteries de stockage : nous allons choisis une batterie de type 6FM200D, déjà
prédéfinit avec une tension nominale de 12 V et une capacité nominale de 200 Ah,
donc nous aurons besoin de 40 batteries connectées en série ce qui représentera une
tension de 480 V, pour étudier plusieurs scénarios, nous allons faire rentrer une à
trois chaînes en parallèle de 200Ah à être considéré. Dans la table des coûts. On
mentionne le nombre de batteries, son coût à l'achat (120$ ; 9566.8 DZD), son coût en
remplacement (120$; 9566.8 DZD) et ses coûts d'opération et maintenance (10$ ;
797.2DZD).
5.7.3 Détails des ressources Les données de ressource décrivent le potentiel de l'énergie du vent et du carburant pour
toute la période de l'année.
Pour le logiciel Homer, nous pouvons utiliser les vitesses moyennes mensuelles ou bien
les vitesses du vent pour chaque heure pendant la journée pour toute la période de l’année.
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
89
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
2
4
6
8
Win
d S
peed
(m/s
)
Wind Resource
Elévation Latitude Longitude Janvier Fevrier Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Décembre Annuelle
Tindouf 431 27.7 -8.1 4.6 5.4 5.3 7 7.3 7.3 5.6 6.2 6.7 4.7 4.3 4 5.7
Pour notre cas, nous allons utiliser les données du tableau (5.1), qui montre les vitesses
moyennes mensuelles de l’Algérie, pour notre étude nous allons nous intéresser à la région du
Tindouf ou se situe notre village isolé
Tableau (5.4) : Vitesses mensuelles moyennes du site de Tindouf
Fig 5.7. Vitesses mensuelles moyennes du site de Tindouf
Pour le fuel, nous avons choisis le diesel, vu sa disponibilité et son prix de revient en
Algérie, dans l’onglet fuel, nous fixons le prix du diesel à 0. 3$/L (23.91DZD/L). Nous
pouvons aussi fixer la consommation annuelle maximale du diesel à ne pas dépasser, mais
pour notre cas, nous allons nous contenter uniquement de prix de diesel.
5.7.4 Détails économiques Comportent le taux d'intérêt réel annuel, la durée de vie du projet, les coûts fixes du
système en capital, les coûts fixes du système en opération et maintenance et les pénalités
dues aux coupures de courant.
Dans notre cas, le taux d'intérêt réel annuel est de 6%, la durée de vie du projet de 25 ans,
et les coûts d'opération et de maintenance correspondent aux salaires de deux techniciens
seront de l’ordre de 5000$/An (398619 DZD/An), sans pénalités dues aux coupures de
courant. Les émissions des gaz ne seront pas fixées pour notre étude puisque l’Algérie ne
pénalise pas en cas d’émission de polluants.
5.7.5 Les contraintes du système Les contraintes sont les conditions que le système doit satisfaire. HOMER met de côté
les systèmes ne satisfaisant pas les contraintes, ils n'apparaissent donc pas dans les résultats
d'optimisation. Le taux annuel de coupure de courant, la part minimale en énergie
renouvelable, le surplus temporaire de puissance.
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
90
En outre de ces données, et pour monter l’importance de notre système
standalone, nous avons fixé le coût de la connexion au réseau électrique le plus proche par
10000 $/Km (797238 DZD), et le prix d’achat d’un KWh à 0.1$ (7.97 DZD).
5.7.6 Simulation du système sans groupe électrogène Tout d’abord, avant de commencer l’étude du système hybride, nous allons étudier
la faisabilité du système éolien sans groupe électrogène, nous gardons les mêmes composants
déjà choisis précédemment, et nous maintenons les mêmes conditions et contraintes
techniques. Dans ce cas notre système sera comme suit :
Lors de la simulation du système, nous avons obtenu un message d’erreur, la figure 5.10
indique que HOMER n’a pas trouvé de solutions car le taux annuel de coupure de courant qui
pose problème, le logiciel nous recommande pour pallier à cette contrainte de :
1. considérer d’autres turbines éoliennes
2. ajouter un groupe électrogène
3. utiliser d’autres chaînes de batteries
4. utiliser un grand convertisseur
5. augmenter le taux annuel de coupure de courant.
Fig. 5.9. Schéma du système sans groupe électrogène
Fig 5.8. Contraintes du système à étudier
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
91
Ce résultat montre que le système de point de vue technique est réalisable, mais avec
l’association d’autres composants, avec l’augmentation du nombre des turbines éoliennes, et
l’augmentation du taux annuel de coupure de courant.
L’augmentation des turbines éoliennes ne présente pas une solution puisque le prix de
revient du système augmente ainsi que le prix du KWh qui atteint une valeur très importante,
nous allons dans ce qui suit appliquer les trois recommandations afin de montrer
l’infaisabilité de ce choix.
Nous entrons des valeurs de 1 jusqu’à 10 turbines, même chose pour les chaînes des
batteries (de 1à 10 chaînes), le taux annuel de coupure sera maintenu à 10%, après nous
simulons notre système. Le résultat est affiché dans la figure 5.11.
La Fig. 5.11 montre que Homer a trouvé deux solutions optimales, la première
correspond à un système avec 5 turbines éoliennes de 100 kW, 6 chaînes de 40 batteries et un
convertisseur de 25 KW avec 0.360$/KWh, la deuxième solution comprend 10 turbines de
100 KW avec 0.605$/KWh, nous remarquons que nous avons un taux annuel de coupure de
10% pour la première configuration cependant pour la deuxième un taux de 0.09%.
Si on augmente le taux annuel de coupure à 46%, et ça ne répond pas à nos critères, on aura
une configuration de deux turbines avec un prix du 0.165$/KWh, avec des coupures pendant
toute l’année, spécialement pendant les mois les moins ventés.
Fig. 5.10.message d’erreur de la simulation du système sans groupe électrogène
Fig 5.11 Résultat de simulation après modifications
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
92
Tous ces résultats montrent malgré la capacité totale des turbines dépasse largement la
puissance maximale demandée par la charge, les vitesses du vent de la région ou bien le
potentiel éolien énergique joue un rôle trop important dans l’étude technico-économique des
systèmes éoliens, nous remarquons que les mois les moins ventés ont influé sur le choix du
système.
Pour répondre aux besoins énergétiques de notre village tout en respectant les contraintes
et les conditions déjà citées, nous allons associer un groupe électrogène au système précédent.
Dans ce qui suit, nous étudierons la faisabilité technique et économique d’un système
hybride qui doit assurer l’alimentation en énergie électrique de notre village qui se situe à la
région de Tindouf.
5.7.7 Optimisation et Simulation du système hybride éolien/diesel La figure ci-dessus montre le système global qui sera étudié en utilisant le logiciel
Homer, il comprendra une turbine éolienne, un groupe électrogène, un convertisseur back to
back et un système de stockage avec batteries.
Fig. 5.12. Schéma du système global
Maintenant notre système est complété, nous allons procéder à l’étape suivante, qui est
la simulation, à l’aide de Homer nous allons voir toutes les combinaisons faisables de point de
vue économique et technique.
HOMER simule les configurations du système avec toutes les combinaisons des
composants spécifiés en entrée. Il élimine des résultats de toutes les configurations de
systèmes infaisables, qui ne sont pas en adéquation avec la demande en électricité ni ne sont
compatible avec les ressources et les contraintes spécifiées. Une fois la simulation terminée et
sans message d’erreurs, Homer classe les résultats obtenus en fonction du coût de la durée de
vie NPC (Net Present Cost).
Le logiciel Homer simulera toutes les combinaisons possibles et faisables tout en
respectant les caractéristiques de village à alimenter, les contraintes techniques et
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
93
économiques. Une fois la simulation terminée, il affiche la meilleure combinaison de chaque
système trouvé. Il est à noter que pour notre cas, nous pouvons avoir quatre configurations
possibles :
1. turbine éolienne, groupe électrogène, convertisseur et batteries.
2. turbine éolienne, groupe électrogène.
3. groupe électrogène, convertisseur et batteries.
4. groupe électrogène.
Dans ce qui suit nous allons montrer les résultats d’optimisation et le classement des
systèmes obtenus.
Fig 5.14. Partie des solutions classées par coût sur la durée de vie
Fig 5.13. Résultats d’optimisation et classement des systèmes
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
94
Notons que Homer affiche l’ensemble des combinaisons possibles en fonction du coût de la
durée de vie (NPC). La durée de vie. Ensuite il choisit la meilleure de chaque système.
Dans la fenêtre des résultats de simulation, nous pouvons voir plusieurs détails
techniques et économiques à propos de chaque configuration de système que HOMER simule.
La figure 5 .13 montre que la meilleure configuration trouvée est celle de la turbine
éolienne, groupe électrogène (35 KW), convertisseur (25 KW), et deux chaînes de 40
batteries, suivie du groupe électrogène (35 KW), convertisseur (10 KW), et deux chaînes de
40 batteries, ensuite un groupe électrogène de (45 KW), et en dernier la turbine éolienne et un
groupe électrogène (40 KW).
Dans ce qui suit nous allons afficher les détails du système optimal choisit par Homer
qui correspond au plus petit coût de la durée vie.
5.7.8 Interprétation et discussion des résultats
La figure 5.15 représente le système optimal choisi par Homer Afin de pouvoir montrer l’importance du résultat d’optimisation du Logiciel Homer,
nous allons interpréter toutes les caractéristiques de la configuration choisie, Nous
commencerons par les détails techniques de notre système.
Détails techniques : nous allons commencer par la production électrique par
chaque composant, la figure 5.16 ci-après montre l’énergie produite et la
consommation de notre système
Fig 5.15.système optimal choisi par Homer
Fig 5.16. Energie électrique produite par le système optimal (Wind/GE/Battery)
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
95
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
10
20
30
40
50
60
Pow
er (k
W)
Monthly Average Electric ProductionWindGenerator 1
Fig 5.17 La production électrique mensuelle moyenne
D’après les résultats obtenus, nous remarquons que le système (Wind/GE/Battery)
produit 16% d’énergie électrique de plus par rapport à la demande de notre village, nous
remarquons aussi que le système ne présente aucune coupure de courant (l’une des contraintes
déjà vérifiée) et que toute la charge a été alimenté en énergie électrique.
La production éolienne représente 67.2% de la production totale de système. Elle est
variable sur toute l’année, elle est directement liée à la vitesse du vent, et pour pallier au
phénomène aléatoire de la vitesse du vent, le groupe électrogène nous aide à assurer la
disponibilité de l’énergie électrique. La figure 5.17 illustre la production électrique totale
mensuelle moyenne sur toute l’année.
Nous remarquons qu’il y a une différence dans la production de l’énergie électrique
entre certain mois de l’année, et que la puissance éolienne mensuelle moyenne produite est
importante dans les trois mois les plus ventés (Avril, Mai, juin). On note aussi que la
production éolienne est petite aux mois (janvier, octobre, novembre, décembre). Les Fig 5.18
et Fig.5.19 montrent la production mensuelle moyenne séparée de groupe électrogène et de la
turbine éolienne respectivement.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Ann0
5
10
15
20
25
30
35
Ave
rage
Val
ue (k
W)
Generator 1 Electrical Output Monthly Averages
Month
maxdaily highmean
daily lowmin
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Ann0
30
60
90
120
Ave
rage
Val
ue (k
W)
Fuhrländer 100 Power Output Monthly Averages
Month
maxdaily highmean
daily lowmin
Fig 5.18. Puissance moyenne mensuelle Produite avec Groupe électrogène
Fig 5.19. Puissance mensuelle moyenne Produite avec Turbine éolienne
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
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Fig 5.20 Profil journalier de la puissance produite par Groupe électrogène
Fig 5.21 Profil journalier de la puissance produite par la turbine éolienne
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
97
Fig 5.22 Profil journalier de l’excès de la production électrique par (Wind/GE/Battery)
Fig 5.23 Profil journalier de la charge électrique non alimentée en KW (Wind/GE/Battery)
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
98
Les figures 5.20 et 5.21 montrent le profil de la production journalière des deux
composants, nous notons qu’il y a une complémentarité dans la production d’énergie
électrique liée à la vitesse du vent, par exemple pour le mois de Mai, la production éolienne
est importante et la production par groupe électrogène est petite, contrairement au mois de
décembre ou la production éolienne est petite et la production par groupe électrogène est
importante.
Nous remarquons que dans les mois de mai et juin, la production éolienne est la plus
importante, cependant le mois de décembre représente la production la plus grande avec le
groupe électrogène.
La figure 5.22 illustre le profil journalier de l’excès de la production électrique par
(Wind/GE/Battery), elle montre que pendant les quatre mois les moins ventés de l’année, on a
une production électrique sans excès, cependant pour le reste, l’excès varie avec la variation
des vitesses moyennes du vent, le mois de Mai et Juin ont l’excès le plus important de l’année
puisqu’ils correspondent au mois le plus venté avec une vitesse du vent moyenne similaire de
7.3m/s.
La figure 5.23 montre que la demande en énergie électrique pendant toute l’année est
satisfaite par le système (Wind/GE/Battery). Même pour la période la moins ventée de l’année
à savoir les mois de l’hiver, la figure 5.24 illustre une journée du mois du décembre, on voit
que les deux graphes, celui de la puissance demandée et celui de la puissance fournie au
village sont pratiquement identiques.
Fig 5.24. La puissance demandée, et la puissance fournie au village pour la journée du 22 décembre
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
99
La figure 5.25. illustre La puissance produite par l’éolienne et la vitesse du vent pendant la
journée du 10 juin, montre que les deux graphes sont proportionels, cette proportionnalité
entre la vitesse du vent et la puissance produite par l’éolienne montre l’importance de l’étude
du potentiel énergitique de chaque région avant le dimenssionnement du système.
Détails des composants du système (Wind/GE/Battery)
Détails de la turbine éolienne : Le tableau ci-dessus résume les détails de fonctionnement de la turbine pendant une
année dans notre systeme hybride.
La puissance nominale de la turbine éolienne est 100 KW , la puissance éolienne
produite est de 27 KW, le coefficient de capacité qui représente la puissance moyenne
produite divisée par la capacité totale de la turbine éolienne est de26.8%. la production totale
d’énergie électrique est 234685 KWh/an avec 8756 heures de fonctionnement par an.
Un autre détail important est celui (wind penetration) le taux de pénétration du vent dans le
système, il est de 81.1%, ce taux pour notre cas, l’alimentation d’un village isolé est très
satisfaisant, il est compris entre 60% et 100%.
Fig 5.25 La puissance produite par l’éolienne et la vitesse du vent pendant la journée du 10 juin
Fig 5.26. Détails de la turbine éolienne dans le système hybride (Wind/GE/Battery)
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
100
Détails du Groupe électrogène : Nous rappelons que le générateur qui a été choisi est de 35KW, ci-après les détails de
fonctionnement du groupe électrogène dans notre système hybride (Wind/GE/Battery)
Détails du système de stockage batteries :
Détails du convertisseur Le tableau ci-après résume les détails de fonctionnement du convertisseur 25KW
(onduleur/redresseur) dans le système hybride (Wind/GE/Battery) pour l’alimentation du
notre village isolé qui se situe à la région de Tindouf.
Détails du système de stockage
Nous avons choisi comme système de stockage pour notre village les batteries, ci-après
les détails de fonctionnement de ces dernières dans le système (Wind/GE/Battery).
Nous avons utilisé deux chaînes en parallèle de 40 batteries, la tension au bus continu est de
480V, d’après Homer l’autonomie de notre système de stockage pour l’alimentation du
village est 3.49 hrs, la durée de vie pour ces batterie est de 9.51 ans.
Fig 5.27. Détails du groupe électrogène dans le système hybride (Wind/GE/Battery)
Fig 5.29. Détails du convertisseur dans le système hybride (Wind/GE/Battery)
Fig 5.28. Détails du système de stockage dans le système hybride (Wind/GE/Battery)
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
101
Détails économiques : nous trouvons le coût annuel ou coût de la durée de vie
(NPC : Net Present Cost) en $, catégorisé par type de composants ou par type de
coûts. La figure 5.29 montre NPC détaillé de chaque composant du système optimal
et la figure 5.30 montre le coût annuel détaillé de chaque composant du système. Nous
remarquons que le coût total de la durée de vie du groupe électrogène est supérieur
celui de la turbine éolienne, cela revient à la consommation importante du Fuel
(diesel) pour répondre aux besoin de la charge.
« Other » représente les salaires des deux techniciens de maintenance
Le coût total de la durée de vie est la somme de tous les coûts de chaque composant.
Fig.5.29. NPC détaillé de chaque composant du système optimal
FL100 GE Vision 6FM200D Converter Other-50,000
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
Net
Pre
sent
Cos
t ($)
Cash Flow SummaryCapitalReplacementOperatingFuelSalvage
Fig 5.30 le coût annuel détaillé de chaque composant du système optimal FL100 GE Vision 6FM200D Converter Other
-5,000
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
Ann
ualiz
ed C
ost (
$/yr
)
Cash Flow SummaryCapitalReplacementOperatingFuelSalvage
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
102
La figure 5.31 représente le coût NPC détaillé par type de coût du système optimal,
nous remarquons que le plus important est celui du coût d’investissement du système suivi du
coût des opérations et maintenance du système, ensuite le coût de carburant (161 397 $), en
dernier nous trouvons le coût de remplacement des composants du système, la valeur
négative « salvage » qui peut être la vente d'électricité ou la revente des composants au
démontage du système à la fin de la vie du projet. Le tableau ci-dessous résume tous les coûts
de notre système sur toute la durée de vie du projet.
Détails écologiques
Nous allons maintenant nous intéresser à l’écologie, notre village se situe dans une
région sous-peuplée, mais nous devons protéger l’environnement, dans ce qui suit nous allons
comparer les quatre systèmes optimaux qui ont été choisis par le logiciel Homer à base du
Capital Replacement Operating Fuel Salvage-50,000
0
50,000
100,000
150,000
200,000
Net
Pre
sent
Cos
t ($)
Cash Flow SummaryCapitalReplacementOperatingFuelSalvage
Fig 5.31. NPC détaillé par type de coût du système optimal
Fig 5.32. Résume détaillé des coûts en $ du système sur toute la durée de vie du projet
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
103
NPC. Notons que nous avions deux systèmes avec groupes électrogènes, deux systèmes
hybrides, le tableau 5.5 résume les émissions engendrées par chaque système.
Système (a) : turbine éolienne, groupe électrogène, convertisseur et batteries
Système (b) : groupe électrogène, convertisseur et batteries.
Système (c) : groupe électrogène.
Système (d) : turbine éolienne, groupe électrogène.
D’après le tableau 5.5, le système moins polluant est notre système (a), suivi par le
deuxième système hybride(d), ensuite le système groupe électrogène, convertisseur et
batteries (b), et en dernier le système (c) qui correspond à celui du groupe électrogène.
Ces résultats montrent l’importance de l’utilisation des énergies renouvelables comme
l’éolienne, elles sont propres, non polluantes de l’environnement et inépuisables.
System (a) System (b) System (c) System (d)
Carbon dioxide 110,824 257,579 273,583 169,180
Carbon monoxide 274 636 675 418
Unburned hydrocarbons 30.3 70.4 74.8 46.3
Particulate matter 20.6 47.9 50.9 31.5
Sulfur dioxide 223 517 549 340
Nitrogen oxides 2,441 5,673 6,026 3,726
Emissions (kg/yr)Pollutant
Tab 5.5 Emissions engendrées par chaque système Kg/an
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
104
5.8 Comparaison entre systèmes isolés (stand alone) et l’extension du réseau Pour pouvoir comparer ces systèmes isolés (stand alone) optimaux avec ceux
connectés au réseau, nous avons fixé le coût de la connexion au réseau électrique le plus
proche par 10000 $/Km, et le prix d’achat d’un KWh à 0.1$. La figure 5.33 montre la
comparaison de chaque système isolé avec l’extension du réseau électrique, pour la meilleure
configuration (a), le graphe montre que si notre village à alimenter est à moins de 21.5 km du
réseau le plus proche, l’extension du réseau est la solution optimale, au-delà de cette distance
le système hybride (a) est le plus rentable. De même pour les autres configurations, pour le
système (b) moins de 24.7km, celui connecté au réseau est le plus optimal, au-delà de cette
distance l’isolé le mieux placé, pour la configuration (c), à partir de 26.4 km le système isolé
est plus optimal, et pour la configuration (d) au-delà de 28.4 km, le système isolé est le plus
optimal.
Système (a) Système (b)
Système (c) Système (d)
Fig 5.33.Comparaison entre les systèmes optimaux stand alone avec l’extension du réseau
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
105
Pour en finir, notre village se trouve dans une région éloignée isolée au sud ouest
d’Algérie. L’extension du réseau électrique s’avère une solution onéreuse, en outre, les
contraintes dues aux intempéries dont le vent de sable, les gradients de température entre les
différentes saisons et celle entre la nuit et le jour pour la saison hivernale posent un autre
problème, tous ces facteurs favorisent l’installation des systèmes isolés (stand alone). Le
système optimal (a) est la meilleure solution pour l’alimentation de notre village isolé au sud
ouest de notre pays.
5.9 Etude de la sensibilité avec la variation du vitesse du vent /prix du diesel Dans notre cas nous allons étudier l'impact de l'évolution des prix du carburant et
l'impact de la variation des vitesses annuelles moyennes sur le choix de type de système de
production d'électricité. Dans cette partie, nous allons déterminer quel est le système optimal
le plus adapté pour notre village pour chaque composante vitesse moyenne annuelle du
vent/prix du diesel.
Nous avons déjà fixé le prix du diesel à 0.3$/L, nous ajouterons les prix 0.5$/L,
0.7$/L, 1$/L dans la colonne des sensibilités du prix du carburant, de même pour la vitesse
annuelle moyenne du vent, on fait entrer les vitesses 3m/s, 4m/s, 5m/s, 7m/s dans la colonne
des sensibilités des vitesses annuelles du vent.
Le logiciel Homer nous aide à voir toutes les meilleures configurations pour chaque
composantes vitesse du vent/ prix du diesel, pour notre cas, nous avons cinq vitesses et quatre
prix, on aura donc 20 systèmes. Tous ces résultats vont être illustrés dans la figure 5.34 qui
résume tous les cas possibles.
La figure 5.34 montre que si la composante vitesse du vent/prix diesel change le système
optimal change, nous remarquons que nous avons deux zones différentes, la première c’est la
blanche qui représente le système optimal (GE/Battery) et la deuxième grise qui représente le
système optimal (Wind /GE/ Battery).
Le graphe peut être divisé en trois parties :
la première partie celle des vitesses moyennes du vent inférieures à 4 m/s.
la deuxième partie est intermédiaire comprise entre les vitesses du vent de 4 m/s et
5.38m/s.
la troisième partie celle des vitesses moyennes du vent supérieures à 5.38 m/s.
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
106
Pour la première partie du graphe, le système optimal est (GE/Battery), quelque soit la
variation de la vitesse du vent au-dessous de 4m/s.
Pour la deuxième partie, on remarque que, de plus le prix du diesel augmente, (la vitesse
supérieure à 4m/s), de plus le système optimal se déplace vers le système (Wind/GE/Battery),
cette partie est caractérisée par deux systèmes optimaux qui sont lies directement à la
composante vitesse du vent/ prix diesel, le système optimal se déplace avec la variation de
cette dernière.
Pour la troisième partie du graphe, le système optimal est (Wind/GE/Battery), quelque soit
la variation du prix du diesel au-dessous de 1$/L.
Cette étude de sensibilité nous a donné une optimisation globale avec l’évolution de la
composante vitesse du vent/ prix diesel, de plus elle nous a montré davantage que nous avons
bien dimensionné le système hybride pour l’alimentation du village isolé de Tindouf même si
le prix du diesel atteint 1$/L.
321
Chapitre 5 : Dimensionnement et optimisation technico-économique d’un système éolien hybride appliqué sur la région de Tindouf
107
5.10 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté la carte des vents de l’Algérie, et les vitesses
moyennes mensuelles de chaque région du pays, nous avons aussi présenté l’évolution des
systèmes éoliens et hybrides.
Nous avons étudié la faisabilité technique et économique d’un système
d’alimentation en énergie électrique pour un site isolé situé dans la région de Tindouf au sud-
ouest du pays, à l’aide du logiciel de modélisation énergétique HOMER (Hybrid Optimisation
Model for Electric Renewables).
Le logiciel Homer nous a permis de choisir un système optimal hybride (Wind/GE/
Battery) tout en dimensionnant ces composants en utilisant les caractéristiques de notre
village (ressources du vent et la puissance maximale à fournir) à alimenter. Le taux de
pénétration du vent dans ce système est de 81% qui très acceptable pour les systèmes
alimentant les petits villages isolés [1][16]. Nous avons étudié la faisabilité de l’extension du
réseau électrique pour notre village.
Homer nous a aussi permis d’étudier la sensibilité de l’évolution du prix du diesel avec
la variation des vitesses moyennes annuelles pour l’alimentation du village isolé. Nous avons
vu que malgré l’augmentation du prix du diesel jusqu’à 1$/L, notre système (Wind/GE/
Battery) restera le système optimal.
Conclusion générale et perspectives
108
Conclusion Générale et perspectives
Le travail effectué dans ce mémoire a été structuré de la façon suivante :
Nous avons d’abord présenté les concepts fondamentaux de la chaîne de conversion de
l'énergie éolienne en énergie électrique et nous avons dressé un état de l'art sur les différentes
associations machines électriques – convertisseurs pouvant être accouplées à une éolienne.
Après cet aperçu sur l’état de l’art des aérogénérateurs, le deuxième chapitre avait
pour objectif l’étude et la modélisation de la partie mécanique de la turbine éolienne, dans
cette partie, nous avons présenté tous les composants de l’éolienne ainsi son modèle, traduit
sous forme d’équations.
Dans le troisième chapitre de ce mémoire, nous avons présenté, l’étude de la machine
asynchrone à double alimentation, des généralités sur la MADA ainsi que ses différents
modes de fonctionnement, ses applications, et ses avantages. Et afin de pouvoir représenter le
modèle de la machine asynchrone à double alimentation dans le repère (d-q), nous avons fait
appel à la transformation de Park qui nous a simplifie notre système tout en tenant compte
des hypothèses simplificatrices.
Afin de découpler le flux et le couple, et rendre ainsi le comportement de la machine
asynchrone à double alimentation similaire à celui de la machine à courant continu à
excitation séparée, nous avons élaboré la commande vectorielle en puissance active et réactive
statiques de la MADA intégrée dans système éolien , Nous avons vu que la composante
directe du courant rotorique contrôle la puissance réactive, et la composante en quadrature
contrôle la puissance active, chose qui nous a permis d’avoir des performances dynamiques
élevées similaires à celle obtenues avec la machine à courant continu (MCC), et pour montrer
l’intérêt que présente notre système, nous l’avons simuler à l’aide de MATLAB, les résultats
de simulation sont satisfaisants.
Dans la dernière partie de ce travail, nous avons présenté la carte des vents de
l’Algérie, et les vitesses moyennes mensuelles de chaque région du pays, suivi par l’évolution
des systèmes éoliens et hybrides. Nous avons étudié la faisabilité technique et économique
d’un système hybride d’alimentation en énergie électrique pour un site isolé situé dans la
région de Tindouf au sud-ouest du pays, à l’aide du logiciel de modélisation énergétique
HOMER (Hybrid Optimisation Model for Electric Renewables).
Conclusion générale et perspectives
109
Nous avons constaté que le système (Wind/GE/ Battery) est le plus optimal pour
l’alimentation du village isolé sur tout les plans technique, économique et écologique. Cette
étude nous a montré que l’Algérie dispose d’un potentiel énergique éolien important dans la
région sud Ouest et que les systèmes éoliens hybrides, en plus du solaires présentent une
autre alternative pour la production d’énergie électrique dans la région.
Le logiciel Homer nous a aussi permis d’étudier la sensibilité de l’évolution du prix du
diesel avec la variation des vitesses moyennes annuelles pour notre système optimal. Il nous
a aussi permis de voir la rentabilité économique de l’extension du réseau électrique.
Le travail effectué dans le cadre de ce mémoire de Magistère peut être poursuivi et
complété par des perspectives pouvant contribuer à son amélioration.
En perspectives de ce mémoire, on propose les idées suivantes :
Utilisation du système de conversion d’énergie éolienne à base da la MADA pour le
filtrage des harmoniques.
Etablissement d’un modèle de la MADA prenant notamment en compte la saturation
magnétique ;
Une réalisation expérimentale du système hybride éolien/ solaire.
Références
110
Références
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Stockholm”, Sweden John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, England
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alimentée par un convertisseur multi-niveaux ’’, Mémoire Magister 2008 ,Université de
Boumerdes .Algérie
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de la Logique Floue, des Réseaux de Neurones et des Algorithmes Génétique’’,
Thèse de Doctorat, Université de Henri Poincaré, Nancy-I, France, 1999.
[4] A. Boyette, “ Contrôle-Commande d’un Générateur Asynchrone à Double
alimentation avec Système de Stockage pour la Production Eolienne’’, Thèse de
Doctorat en Génie Electrique, Université de Henri Poincaré, Nancy-I, France,
2006.
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Lille France.
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un Réseau de Moyenne Tension’’, Thèse de Doctorat en Génie Electrique, Université des
Sciences et Technologies de Lille, France, 2004.
[8] A. Gaillard, “Système éolien basé sur une MADA, “Contribution à l’étude de la qualité de
l’énergie électrique et de la continuité de service’’, Thèse de Doctorat en Génie Electrique,
Université de Henri Poincaré, Nancy-I, France, 2010.
[9] I. Hamzaoui : Modélisation de la machine asynchrone à double alimentation en vue de
son utilisation comme aérogénérateur : Mémoire Magistère, ENP Alger, 2008.
[10] S. Heier, “ Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems”, Publications John
Wiley & Sons, ISBN 0-471-97143-X, 1998; Canada.
[11] M. Kasbadji, “Evaluation du gisement énergétique éolien contribution a la détermination
du profil vertical de la vitesse du vent en Algérie’’, Thèse de doctorat 2006, l’université
Abou Bekr Belkaid de Tlemcen.
[12] M Kesraoui, “Designing a wind/solar/biomass electricity supply system
For an Algerian isolated Village”, EPE 2009 – Barcelona.
Références
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Electrique Double Alimentée’’, Mémoire de Magister, Université de Batna,
Algérie, 2007.
[14] J. Martin, “ Energies éoliennes ’’, Techniques de l’Ingénieur, traité de Génie énergétique,
pp. B 8 585 1- B 8 585 21
[15] A. Masmoudi, “Contribution à la commande en tension de la machine doublement
alimentée’’, Thèse de doctorat, Université Pierre et Marie Curie PARIS VI, France, 1994.
[16] Miguel LOPEZ, “ Contribution a l'optimisation d'un système de conversion éolien pour
une unité de production isolée’’, Thèse Doctorat Ecole Doctorale « Sciences et Technologies
de l’Information des Télécommunications et des Systèmes » Université Paris Sud 11, France,
2008.
[17] A. Mirecki, “Etude Comparative de Chaînes de Conversion d’Energie Dédiées à
une Eolienne de Petite Puissance’’, Thèse de Doctorat en Génie Electrique,
Institut National Polytechnique de Toulouse, France, 2005.
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[19] B Multon, O Gergaud, H Ben ahmed, X Roboam, S Astier, B DAKYO, État de l’art dans
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Cachan, Extrait du rapport de synthèse ECRIN « L’Electronique de Puissance Vecteur
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[20] A.Petersson, “Analyse, Modeling and control of doubly-fed induction generators for
wind turbines’’, Thèse de licence en électrotechnique, université technologique de Chalamer,
Göteborg, Sweden 2003.
[21] F. Poitiers, “Etude et Commande de Génératrices Asynchrones pour l’Utilisation de
L’Energie Eolienne : Machine Asynchrone à Cage Autonome, Machine Asynchrone à
Double Alimentation Reliée au Réseau’’, Thèse de Doctorat en Electronique et Génie
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Références
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Université de Batna, Algérie, 2010.
[28] P-E.VIDAL, “Commande non- linéaire d’une machine asynchrone à double alimentation
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[29] Site Internet de l'Association Danoise de l’industrie éolienne,
"http//www.windpower.org/fr/core.htm".
[30] www.wwindea.org, World Wind Energy Association.
[31] www.enercon.de.
[32] www.homerenergy.com.
Annexe
113
Annexe Dimensionnement du régulateur PI par la méthode de compensation des pôles.
La figure (1.1) montre un système en boucle fermée corrigé par un régulateur PI
Fig.1.1 : Schéma bloc d’un système réglé par un PI
La forme du correcteur est la suivante :
⁄
Avec Kp : est le gain proportionnel du régulateur ; Ki : est le gain intégral du régulateur.
Si on considère la fonction du transfert suivante :
1
En boucle ouverte on aura la fonction de transfert suivante :
. 1 1 1
1
On prend :
Alors
En boucle fermée, la fonction de transfert s’écrit comme suit :
1
1 1
Pour attendre 95% de la consigne, le temps de repense tr du système bouclé vaut : 3
Annexe
114
Donc :
3
D’où 3
3
Pour notre système
La fonction de transfert du régulateur est donnée par:
(1 ) ( )
K iPK i K i K p K i K pK p K p p PP K p P P K p
K p
++ = + = + =
La fonction de transfert en boucle ouverte (FBO).
. ⁄
.
..
.
La fonction de transfert en boucle fermée (FBF).
.
Annexe
115
Donc on aura :
2
. 2
2