Soutenance mémoire
L’énergie électrique est un facteur essentiel pour le développement et l’évolution des sociétés humaines que cela soit sur le plan de l’amélioration des conditions de vie, ou sur le développement des activités industrielles. Elle est devenue une forme d’énergie indispensable par sa souplesse d’utilisation et par la multiplicité des domaines d’activité où elle est appelée à jouer un rôle plus important. Les modes et les moyens de production associés sont amenés à subir de profonds changements au cours des prochaines décennies. En effet, les modes de production reposant sur la transformation des énergies renouvelables (éolien, solaire … ), sont appelés à être de plus en plus utilisés dans le cadre du développement durable.
Jusqu ‘à présent, les cahiers des charges et les standards nationaux, n’obligeaient pas les éoliennes à rester connectées durant une perturbation de la tension normalement imposée par le réseau. Par exemple, pendant un défaut du réseau ou un brutal changement de la fréquence du réseau, une déstabilisation du système éolien de production est observée et ses protections internes la déconnectent. Cependant, avec le développement de l’énergie éolienne, les interactions entre les éoliennes et le réseau électrique doivent être prises en compte. Ceci est d’autant plus vrai que, lorsque les turbines de production éoliennes se retrouvent déconnectées du réseau, elles ne peuvent plus être utilisées par le gestionnaire du réseau pour assurer la stabilité en tension et en fréquence du réseau dans cette situation de défaut, contrairement aux systèmes classiques de production. C’est l’une des causes majeures de la perte de stabilité dans les réseaux à fort taux d’éoliens.
Généralités sur les éoliennes
Ces dernières années, l’intérêt dans l’utilisation des énergies renouvelables ne cesse d’augmenter, car l’être humain est de plus en plus concerné par les problèmes environnementaux. Parmi ces énergies, on trouve l’énergie éolienne. Le développement de la technologie des aérogénérateurs a permis à celle-ci de devenir une alternative aux sources traditionnelles ; l’énergie éolienne est véhiculée par les vents, ceux-ci sont dus indirectement à l’énergie solaire qui, en créant des différences de température entre les régions chaudes et les régions froides, provoque des vents. Un aérogénérateur (couramment appelé éolienne) est une machine qui utilise l’énergie éolienne (l’énergie cinétique du vent) pour produire de l’énergie électrique. Le vent est une ressource propre et inépuisable qui peut produire de r électricité pratiquement sans l’émission des gaz polluants.
Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne
La croissance de l’énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de l’utilisation de ce type d’énergie. Cette source d’ énergie à également des inconvénients qu’il faut étudier, afin que ceux-ci ne deviennent pas un frein à son développement.
Avantages
L’énergie éolienne est avant tout une énergie qui respecte l’environnement :
➤ La concentration du C02 est augmentée de 25% depuis l’ère préindustrielle. Ceci a déjà provoqué une augmentation de la température de 0,3 à 0, 6 co depuis 1900 et les scientifiques prévoient que la température moyenne augmentera de 1 à 3, 5 co d’ici l’an 2100, ce qui constituerait le taux de réchauffement le plus grand des 10000 dernières années.
➤ L’énergie éolienne est une énergie renouvelable, c’est à dire que contrairement à l’énergie fossile, les générations futures pourront toujours en bénéficier.
➤ L’énergie éolienne évite déjà aujourd’hui l’émission de 6,3 millions de tonnes de C02 et 21 millions de tonnes de S02 et 17,5 mille tonnes de N02 , qui sont les principaux responsables des pluies acides.
➤ L’énergie éolienne n’est pas non plus une énergie de nsque comme l’est l’ énergie nucléaire et ne produit évidemment pas de déchets radioactifs ;
➤ Les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées, contrairement aux procédés continus de la plus part des centrales thermiques et des centrales nucléaires.
➤ Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace.
➤ C’est une source d’énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie.
Ainsi, les pertes en lignes dues aux longs transports d’ énergie sont moindres. Cette source d’énergie peut de plus stimuler l’économie locale, notamment dans les zones rurales.
➤ C’est l’énergie la moins chère des énergies renouvelables ;
➤ Cette source d’énergie est également très intéressante pour les pays en voie de développement. Elle répond au besoin urgent d ‘énergie dans ces pays pour se développer. L ‘installation d’un parc ou d’une turbine éolienne est relativement simple. Le coût d’investissement est faible par rapport à celui des centrales aux énergies plus traditionnelles sur les sites plus venteux. Enfin, ce type d’énergie est facilement intégré dans un système électrique existant déjà.
➤ La période de haute productivité se situe en hiver (vent plus forts), ce qui correspond à la période de l’année ou la demande est plus forte.
Inconvénients
Même s’ils ne sont pas nombreux, l’éolienne à quelques désavantages:
➤ L’impact visuel, ça reste néanmoins un thème subjectif
➤ Le bruit : il a nettement diminue, notamment le bruit mécanique qui a pratiquement disparu grâce aux progrès réalisés au niveau du multiplicateur. Le bruit aérodynamique quant à lui est lié à la vitesse de rotation du rotor, et celle ci doit donc être limitée.
➤ L’impact sur les oiseaux : certaines études montrent que ceux-ci évitent les aérogénérateurs. D’autres études montrent que les sites éoliens ne doivent pas être implantés sur les parcours migratoires des oiseaux, afin que ceux-ci ne se fassent pas attraper par les aéroturbines.
➤ La qualité de la puissance électrique : La source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance électrique produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la puissance produite n’est donc pas toujours très bonne. Ce pourcentage n’est plus négligeable. Ainsi, l’influence de la qualité de la puissance produite par les aérogénérateurs notamment dans les régions à fort potentiel de vent est augmentée.
➤ Le coût de l’énergie éolienne par rapport aux sources de l’ énergie classique bien qu’en terme du coût, l’éolien puisse sur les meilleurs sites, c’est à dire là où il y a le plus de vent, concurrencer la plupart des sources d’énergie classique, son coût reste encore plus élevé que celui des sources classiques sur les sites moins ventés.
Différents types d’éoliennes
Les éoliennes se devisent en général en deux grands groupes selon l’axe sur lequel est montrée l’hélice :
Éoliennes à axe vertical.
Éoliennes à axe horizontal.
Éoliennes à axe vertical
Les principaux capteurs à axe vertical sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieur classique et Darrieur en forme de H . Elles sont très peu mises en jeu de nos jours car elles sont moins performantes que celles à axe horizontal. Elles fonctionnent sur le même principe que les roue s hydraulique avec une direction de vent perpendiculaire à l’axe de rotation. La conception verticale offre l’avantage de mettre la machine au sol (accès plus facile à la génératrice et au multiplicateur) mais cela impose que l’éolienne fonctionne avec des vents proches du sol, moins forts qu’en hauteurs. De par son axe vertical, il y’a symétrie de révolution et le vent peut provenir de toutes les directions sans avoir à orienter le rotor. Par contre ce type d’éolienne ne peut pas démarrer automatiquement, il faut la lancer dès l’apparition d’un vent suffisamment fort pour permettre la production. En ce qui concerne leur implantation, elles sont haubanées sur de grandes distances. En effet, les câbles des haubans doivent passer au-dessus des pales. Cela représente un inconvénient majeur sur un site agricole.
Éoliennes à axe horizontal
Une turbine à axe horizontal demeure face au vent, comme les hélices des avions et des moulins à vent. Elle est fixée au sommet d’une tour, ce qui lui permet de capter des quantités plus importantes d’énergie éolienne. La plupart des éoliennes installées sont à axe horizontaL Ce choix représente plusieurs avantages, comme la faible vitesse d’ amorçage (eut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance obtenue et la puissance de la masse d’air en mouvement) relativement élevé. Toutefois, la boite de vitesse et la machine électrique doivent être installées en haut de la tour, ce qui pose des problèmes mécaniques et économiques. Par ailleurs l’orientation automatique de l’hélice face au vent nécessite un organe de supplémentaire («queue», «yaw control» …. ) . Selon son nombre de pales. Une éolienne à axe horizontal est dite mono-pale, bipale ou multi pale. Une éolienne mono-pale est moins coûteuse car les matériaux sont en moindre quantité et par ailleurs, les pertes aérodynamiques par poussée (drag) sont minimales.
CONCLUSION GENERALE
Les travaux de mon mémoire ont pour but d’étudier des stratégies de contrôle et des systèmes de protection des turbines éoliennes utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), afin de satisfaire la contrainte de rester connectées lors d’un défaut en tension aux bornes du générateur. Nous avons pris en considération la saturation magnétique de la MADA.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 INTÉRÊTS SOCIO-ÉCONOMIQUES DU SUJET
1.2 INTÉRÊTS SCIENTIFIQUES DU SUJET
1.3 ORGANISATION DES DIFFÉRENTES PARTIES DU RAPPORT
CHAPITRE2 GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉOLIENNES
2.1 INTRODUCTION
2.2 AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE L ‘ÉNERGIE ÉOLIENNE
2.3 L APUISSANCEÉOLIENNEDANS LEMONDE
2.4 RÉPARTITIONRÉGIONALEDELA VITESSEDUVENT
2. 5 C ONSTITUTION D’UNE ÉOLIENNE
2.6 DIFFÉRENTS TYPES D ‘ÉOLIENNES
2.6.1 Éoliennes à axe vertical
2.6.2 Éoliennes à axe horizontal
2.7 L ES ÉOLIENNES À VITESSE FIXE
2.8 L ES ÉOLIENNES A VITESSE VARIABLES
2.8.1 T ype M achine A syn chron e à Double A limentation (MADA)
2.8.2 T ype M achine S ynchron e à aimants Perman ents (MSAP)
2.9 SYNTHÈSE DES DIFFÉREN1ES ÉOLIENNES
2.10 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D ‘UNE ÉOLIENNE
2.11 C ONCLUSION
CHAPITRE 3 MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE DE LA TURBINE ÉOLIENNE
3.1 IN1RODUCTION
3.2 MODÉLISATION DE LA TURBINEÉOLIENNE
3.2.1 Modélisation de la turbine
3.2.2 Modèle du multiplicateur de vitesse
3.2.3 Modélisation de l’arbre mécanique
3.3 S1RATÉGIEDECO.tvfMANDEDELA TURBINE ÉOLIENNE
3.3.1 Caractéristique puissance vitesse d ‘une éolienne de grande puissance
3.3.2 Système de contrôle de l’aéroturbine
3.3.3 Méthodes de recherche du point maximum de puissance
3.4 SIMULATIONETRÉSULTATS
3.5 MODÉLISATION DU SYSTÈME D’ORIENTATION DES PALES (PIT CH)
3. 5.1 Introduction
3.5.2 Système d ‘orientation
3.5.3 Régulation de l’angle avec un correcteur PI
3.5.4 Fonctionnem ent à vitesse constante
3.6 SIMULATION ET RÉSULTATS
3.7 CONCLUSION
CHAPITRE 4 MODÉLISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE ALIMENTATION ET DE LA CONNEXION AU RÉSEAU
4.1 IN1RODUCTION
4.2 FONCTIONNEMENT ET MODÉLISATION DE LA MADA
4. 2.1 Fonctionnem ent de la MADA
4. 2.2 Équations de la machine
4. 2.3 Relation entre les flux est les courants
4.2.4 Transformation de Park
4. 2.5 Équation de la machine dans le repère de Park
4.2.6 Équations mécaniques
4.2.7 Modèle d’état de la machine
4.2.8 Modèle de saturation de la machine
4.2.9 Coefficient de la courbe de saturation
4.2.10 Déterminer le degré de saturation
4.3 SllvfULATION ET RÉSULTATS :
4.4 MODÈLE DU CONVERTISSEUR DE PUISSANCE
4.4.1 Modèle du convertisseur électronique de puissance
4.4.2 Application à la chaîne de conversion étudiée
4.5 MODÈLEDUBUS CONTINU
4.6 MODÈLEDUFILTRE DE SORTIE
4. 7 CONNEXION AU RÉSEAU DE LA MADA
4.8 CONCLUSION
CHAPITRE 5 COMMANDE VECTORIELLE DE LA MADA
5.1 INTRODUCTION
5.2 ARCHITECTURE DU DISPOSITIF DE COMMANDE
5.3 COMMANDE VECTORIELLE DE LA .MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE ALMENTATION
5. 3.1 Génération des courants rotoriques de référence
5. 3.2 Synthèse du correcteur PI :
5.4 CO:tvnv1ANDE RAPPROCHÉE DE LA .MACHINE ET DE LA CONNEXION AU RÉSEAU
5.4.1 Contrôle de la tension du bus continu:
5.5 RÉSULTATS DE SlMULATION
5.6 CONCLUSION
CHAPITRE 6 .. STRATÉGIE DE CONTRÔLE VECTORIE L MODIFIÉ DE LA MADA EN CAS DE CREUX DE TENSION
6.1 IN1RODUCTION
6.2 LES CREUX DE TENSION
6.2.1 Caractérisation des creux de tension:
6.2.2 Classification des creux de tension
6.3 S1RATÉGIEDE CON1RÔLE VECTORIEL MODIFIE DELA MADA
6.4 RÉSULTATS DE SIMULATION
6.5 C ONCLUSION
CHAPITRE 7 PERFORMANCES DE LA MADA PENDANT UN CREUX DE TENSION AVEC CIRCUIT DE LIMITATION DE TENSION
7.1 IN1RODUCTION
7.2 PROTECTION ACTIVE PAR DES CIRCUITS DE LIMITATION DE TENSION
7.3 CIRCUITS DE LIMITATION DE TENSION
7.4 M ODÉLISATIONDU CIRCUITDE LIMITATIONDE TENSION
7.5 C ON1RÔLE PAR HYSTÉRÉSIS DU CIRCUIT DE PROTECTION
7.6 C ON1RÔLE DELA DÉMAGNÉTISATIONDELA MADA
7.7 RÉSULTATS DE SIMULATION
7.8 C ONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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