MODÈLE MÉCANIQUE DU SYETÈME HYBRIDE ÉOLIEN-DIESEL

Analyse technique-économique

Le pétrole a atteint les sommets symboliques de cent trente-deux dollars le baril en juillet 2008 Figure 1.1 (INFO COM, 2009). Après une longue période d’accalmie d’environ quinze ans, le prix du baril de pétrole progresse et parfois il passe du simple au double en l’espace d’une seule année. La consommation d’énergie basée sur le pétrole devrait augmenter dans un futur proche, à cause de la croissance de la population et de développement économique. Ce qui provoquera un dégagement de chaleur en plus et des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Les experts climatiques internationaux s’accordent à penser qu’un lien étroit existe entre l’accroissement des émissions de CO2 et la variabilité du climat. Il y’a cependant, encore beaucoup d’incertitudes sur l’évolution des changements du climat. Les experts parlent d’un (grand chambardement climatique) auquel se rattacheraient la plupart des phénomènes constatés ces dernières temps: la sécheresse, la désertification, les cyclones, les pluies torrentielles, les canicules et les écarts de températures. Ceci affecterait grandement les glaces polaires, et fera monter le niveau des mers menaçant ainsi la vie de plusieurs millions d’habitants. Il est donc urgent de lutter par tous les moyens contre le réchauffement climatique qui menacerait notre planète.

Le Canada comme les autres pays de monde possède beaucoup de communautés qui habitent dans des secteurs isolés (Yukon, TNO, Nunavut, Iles, etc.…), ainsi que des installations techniques; tours et relais de télécommunication, systèmes météo, sites touristiques et les fermes qui ne sont pas connectés aux réseaux électriques provinciaux. La production de l’énergie électrique dans ses secteurs est assurée par des GD utilisant le fuel pour la production d’énergie électrique. Cette méthode est inefficace, très dispendieuse et responsable de Gaz par effet de Serre. Le Canada possède un gisement du vent excellent, ce qui le place en bonne position pour l’exploitation de l’énergie éolienne propre et durable. Plusieurs communautés se situent dans les secteurs ou la densité moyenne d’énergie éolienne est élevée. Le déploiement de cette source dans les sites isolés aura un impact significatif environnemental et économique (Heesang et al., 2008).

Les SEH, associent au moins deux technologies complémentaires: une ou plusieurs sources d’énergie classiques, généralement des générateurs diesels, et au moins une source d’énergie renouvelables (Ibrahim, Ilinca et al. 2007) (Tomilson et al., 1997). Ces deux principaux éléments s’ajoutent le système de contrôle et les composants nécessaires à l’exploitation comme la charge secondaire, le régulateur et commande automatisée. Les sources d’énergies renouvelables, comme l’éolienne ne délivrent pas une puissance constante. Leur couplage avec des sources classiques permet d’obtenir une production électrique continue. Le champ d’application des SEH est très large et par conséquent, il est difficile de classer ces systèmes. On peut néanmoins essayer de réaliser un classement par gamme de puissance tableau 1.

Les sites isolés peuvent être classifiés en fonction du degré de pénétration de l’énergie renouvelable (Weis et Ilinca, 2008). Le Taux de pénétration en puissance (TPP) est défini comme le rapport entre la puissance éolienne installée et la puissance maximum de la charge. Tandis que le taux de pénétration en énergie (TPE) est défini comme le rapport entre l’énergie éolienne annuelle produite et l’énergie consommée par la charge. Le SHED est dite à haute pénétration si le TPP􀵐 1. D’après (Sebastian and Quesada 2006), le SHED est caractérisé par trois modes de fonctionnement : Si la vitesse du vent est suffisante, l’éolien alimentera seule la charge (WO), le surplus de puissance est envoyé vers la charge secondaire. Durant ce mode de fonctionnement, le GD se déconnecte automatiquement du GS par un embrayage. Le GS fonctionne ainsi comme un condenseur synchrone. Si la vitesse du vent est moins forte, l’éolienne produisant peu de puissance, sera dans l’incapacité d’alimenter totalement seule la charge, alors le générateur diesel interviendra en fournissant la différence (WD). Si la vitesse du vent est très faible, le GD sera contraint d’alimenter seul la charge (DO).

Principaux composantes d’un système hybride éolien-diesel

L’éolienne, fiable et rentable, représente la source d’énergie idéale pour de nombreuses applications. Les éoliennes existent en plusieurs dimensions, des microsystèmes montés sur un mât aux turbines de 5 mégawatts alimentant le réseau électrique. La plus part des éolienne de plus de 50 KW exploitées dans les SEH utilisent des GAS(Fortunato, Mummolo et Cavallera, 1997). Le faible coût et la standardisation des MAS ont conduit à une large domination des GAS à cage. Les MAS à cage ne nécessitent qu’une installation assez sommaire. En raison de la consommation de puissance réactive, elles ne peuvent pas fonctionner indépendamment d’une source qui leur fournisse la puissance réactive.

En fonctionnement à vitesse fixe elles sont souvent associées à une batterie de condensateurs Figure 1.1. Pour les réseaux isolés, les éoliennes à vitesse fixe couplé à la GAS fonctionnent seulement quand au moins un GD fonctionne, sauf s’il y a d’autre sources d’énergie réactive. Si le générateur électrique est de type synchrone ou asynchrone directement couplé au réseau, la vitesse est sensiblement constante et le rendement aérodynamique ne peut être maximal que pour une seule vitesse du vent. Pour obtenir une vitesse variable, différentes méthodes ont utilisées (N L S E, 2009). Bien que les possibilités soient nombreuses pour les sites isolés, on rencontre trois familles de Systèmes : MAS à nombre de pôles variable pouvant fonctionner à deux vitesses, MAS à cage à variateur de fréquence et les MS également à variateur de fréquence.

Les GAS à nombre de pôles variable pouvant fonctionner à deux vitesses sont construits selon le principe «deux en un», ce qui leur permet de fonctionner alternativement à deux vitesses différentes. Ces générateurs sont constitués d’un générateur de petite puissance pour des faibles vitesses du vent et un autre plus grand pour des vitesses du vent grandes Figure 1.3. Les GAS à nombre de pôles variable pouvant fonctionner à deux vitesses sont construits selon le principe «deux en un», ce qui leur permet de fonctionner alternativement à deux vitesses différentes. Ces générateurs sont constitués d’un générateur de petite puissance pour des faibles vitesses du vent et un autre plus grand pour des vitesses du vent grandes Figure 1.3. L’introduction de convertisseurs de puissance entre la génératrice et le réseau Figure 1.4 permet de découpler la fréquence du réseau de la vitesse de rotation de la machine et ainsi, de faire fonctionner l’éolienne à vitesse variable. Avec un fonctionnement à vitesse variable, la vitesse de rotation peut augmenter et diminuer en fonction de la variation du vent.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Analyse technique-économique
1.3 Principaux composantes d’un système hybride éolien-diesel
1.3.1 Éoliennes
1.3.2 Générateur Diesel
1.4 Problème rencontrés dans le fonctionnement dans réseau autonome
1.5 Qualité de l’énergie électrique dans les réseaux autonomes
CHAPITRE 2 MODÈLE MÉCANIQUE DU SYETÈME HYBRIDE ÉOLIEN-DIESEL
2.1 Introduction
2.2 Dimensionnement du système hybride
2.2.1 Système éolien
2.2.2 Modèle du vent
2.2.3 Conversion aérodynamique
2.2.4 Production de l’énergie mécanique
2.2.5 Transmission
2.2.6 Générateur Diesel
2.2.7 Embrayage
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 MODELE ÉLECTRIQUE DU SYSTÈME HYBRIDE EOLIEN DIESEL
3.1 Introduction
3.2 Principe de fonctionnement d’un système hybride éolien diesel
3.3 Modélisation de la machine asynchrone à cage d’écureuil
3.3.1 Hypothèse pour la mise en équation de la machine asynchrone
3.3.2 Définition des différentes enroulements
3.3.3 Équations électriques
3.3.4 Relation entre les flux et les courants
3.3.5 Transformation de Park
3.3.6 Équations des flux dans le plan dq
3.3.7 Équations des tensions dans le plan dq
3.3.8 Équation mécanique de la machine asynchrone à cage
3.4 Modélisation de la machine synchrone
3.4.1 Définition des enroulements
3.4.2 Équations électriques
3.4.3 Équation mécanique de la machine synchrone
3.5 Régulateur de tension
3.6 Réglage de la fréquence
3.7 Modèle de la charge
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 VALIDATION DU SYSTÈME HYBRIDE ÉOLIEN-DIESEL
4.1 Introduction
4.2 Modèle du générateur diesel
4.2.1 Réponse dynamique et en régime permanent
4.3 Modèle de l’éolienne seule
4.3.1 Réponse dynamique et en régime permanent
4.4 Modèle complet du système
4.4.1 Réponse dynamique et en régime permanent
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 AMÉLIARATION DE LA QUALITÉ D’ÉNERGIE DANS UN SYSTÈME HYBRID ÉOLIEN-DIESEL
5.1 Introduction
5.2 Commande indirecte du courant du filtre actif shunt
5.2.1 Stratégie de commande
5.2.2 Étude de la puissance apparente
5.2.3 Compensation des courants harmoniques et de la puissance réactive
5.2.4 Expression des courants pour un redressement triphasé non commandée
5.2.5 Dimensionnement des paramétres du filtres actif shunt
5.2.6 Dimensionnement de l’inductance du filtre
5.2.7 Choix de régulateur de tension
5.2.8 Résultats de simulation
5.2.9 Réponse dynamique et en régime permanent
5.3 Commande équivalente basé sur d-q synchrone
5.3.1 Modélisation du filtre shunt active
5.3.2 Modélisation dans le plan « abc»
5.3.3 Stratégie de commande
5.3.4 Conversion abc abc/dq du modèle du filtre
5.3.5 Boucles des courants
5.3.6 Boucle de régulation de la tension du bus dc
5.3.7 Extraction des référence harmoniques
5.3.8 Résultats de simulation
5.3.9 Réponse dynamique et en régime permanent
5.4 Conclusion
CONCLUSION
Annexe
BIBLIOGRAPHIE