Commandes non linéaires robustes de systèmes éoliens

La demande mondiale d’énergie électrique et de combustibles fossiles évolue très rapidement. Nombreuses sont les centrales électriques (plus anciennes) qui arriveront bientôt en fin de vie ; environ la moitié de ces centrales devront être remplacées. Le monde devra faire face à une grave crise énergétique en l’absence de mesures appropriées, à l’image de la pénurie des sources d’énergie fossiles largement utilisées pour la production d’électricité. En effet, les énergies fossiles produisent trois quarts de l’énergie mondiale [32]-[13]. Cependant, la combustion des matières fossiles dégage du dioxyde de carbone, l’un des principaux facteurs provoquant les gaz à effet de serre, considérés comme en partie responsables du réchauffement climatique. Compte tenu de tous ces problèmes, associés à la raréfaction des matières fossiles, il est impératif de basculer vers d’autres moyens pour produire de l’énergie. Ainsi, les sources d’énergie renouvelables offrent un grand potentiel pour une réduction massive des émissions de dioxyde de carbone. Néanmoins, ce n’est qu’au cours de la dernière décennie qu’il y a eu un net regain d’intérêt pour les énergies renouvelables dans le cadre de la production d’électricité. Ainsi, les gouvernements sont intervenus pour promouvoir massivement les investissements dans les énergies renouvelables. Les interventions politiques en matière d’énergies renouvelables ont été motivées par des objectifs tels l’atténuation des émissions de gaz à effet de serre, la sécurité énergétique, [13] …

L’énergie du vent ou « énergie éolienne » est l’une des énergies renouvelables les plus dynamiques au monde. La génération de l’énergie éolienne est inépuisable, propre et non polluante ; elle n’a pas d’effets nocifs sur l’environnement. L’utilisation de cette source d’énergie n’est pas récente. En effet, depuis des milliers d’années, l’homme a utilisé le vent dans différents domaines. Au début, cette énergie a été exploitée sous forme d’énergie mécanique, par exemple pour faire avancer un navire à voile, ou pour pomper de l’eau (moulins de Majorque). L’utilisation de l’énergie du vent pour la production de l’électricité est plus récente [17]-[18]. En 1970, la crise pétrolière a encouragé la recherche de sources d’énergie non pétrolières, parmi lesquelles l’énergie éolienne qui était prometteuse. Récemment, les inquiétudes liées au réchauffement planétaire ont même intensifié la demande de ressources énergétiques vertes et durables et plusieurs pistes de recherche dans ce domaine ont été ouvertes [13]. En 2013, nombreux sont les pays qui ont dépassé 10.000 MW de capacité en énergie éolienne (voir Table 1.1). À l’horizon 2030, il est estimé que 30 % de l’électricité mondiale seront fournis à partir de l’énergie du vent [33].

Aujourd’hui, l’énergie éolienne est donc l’une des ressources énergétiques durables les plus importantes et est devenue une alternative concurrente et crédible pour la production de l’électricité. Au cours des dernières années, le développement de l’énergie éolienne a dépassé toutes les attentes. Par exemple, la capacité d’installation en Europe a augmenté durant ces dernières années avec un taux de croissance annuel supérieur à 30 % [15]. En outre, le coût de l’électricité fournie par l’énergie éolienne a baissé de façon importante, grâce à de nouvelles éoliennes plus puissantes [34]-[35]-[15].

Les principaux avantages de l’énergie éolienne peuvent être résumés comme suit [13]-[17]
• source d’énergie inépuisable et renouvelable ;
• énergie propre, pas d’émission de dioxyde de carbone.
L’énergie éolienne a néanmoins quelques désavantages [17], tel que l’impact visuel, l’impact sur la faune (oiseaux), le coût d’installation, la qualité de la puissance produite due aux variations du vent, …

Les turbines éoliennes sont des systèmes de conversion de l’énergie éolienne, qui pourront dans un avenir proche, concurrencer économiquement les centrales thermiques. Cependant, cela exige de maîtriser cette technologie afin de réduire le prix de production. Outre les progrès sur les aspects aérodynamiques, de structure, …, la commande peut jouer un rôle essentiel dans ces gains de productivité. En effet, les architectures de commande peuvent forcer l’éolienne à être constamment proche de sa capacité optimale. D’autre part, elles peuvent atténuer les charges sur la structure et donc augmenter la durée de vie de l’éolienne [13].

État de l’art des systèmes éoliens

Historique

Les éoliennes ont été exploitées par les hommes depuis des milliers d’années. Jusqu’à XXe siècle, l’énergie éolienne était utilisée sous forme de puissance mécanique afin de pomper de l’eau ou de moudre du grain. Les premiers moulins à vent sont des moulins à axe vertical et ont été utilisés en Afghanistan au VIIe siècle av. J.-C. Les moulins à axe horizontal sont apparus en Perse et en Chine aux environs du IXe siècle. La Figure 1.1 montre une ancienne structure de moulin à vent utilisée par les Perses. De la Perse et du Moyen-Orient, les moulins à vent se sont répandus à travers toute l’Europe au XIIe siècle, où la performance des moulins à vent a été constamment améliorée.

L’utilisation de l’énergie du vent pour produire de l’électricité remonte à 1888 lorsque Charles F. Brush, en Ohio aux USA, a inventé la première turbine éolienne. En 1890, une turbine éolienne générant de l’électricité a été construite par le Danois Poul La Cour. Ensuite, l’industrialisation a conduit à une disparition progressive des moulins à vent, remplacée par des moteurs à combustibles fossiles [34]. Après la crise pétrolière du 1970 et la hausse des prix du pétrole, plusieurs pays ont décidé de s’orienter vers d’autres sources d’énergie, dont l’énergie éolienne qui était l’une des plus prometteuses. Récemment, les problèmes du réchauffement planétaire ont intensifié la demande de ressources énergétiques vertes et durables, suscitant des programmes de recherche dans ce domaine [34]-[13].

Éoliennes à axe vertical ou horizontal

Les turbines éoliennes sont des dispositifs mécaniques conçus spécialement pour convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Plusieurs modèles de rotor ont été mis au point dont la plupart comprennent un rotor qui tourne grâce à la force de poussée, résultant de l’interaction avec le vent [15]. En fonction de la position de l’axe du rotor, les éoliennes sont classées en deux catégories : éolienne à axe vertical et éolienne à axe horizontal. Les unes tournent autour d’un axe vertical et elles sont entraînées via la traînée. Les autres sont entraînées par la force de poussée développée par les pales dans le flux d’air en circulation. L’éolienne à axe vertical ayant le plus de succès est celle du rotor Darrieus (Figure 1.2), qui a été brevetée par l’ingénieur français Georges Darrieus en 1931 [32]. La principale particularité de ce type d’éolienne est que le générateur et le dispositif de transmission sont localisés au niveau du sol.

Cette éolienne est capable de capter le vent de n’importe quelle direction sans besoin d’un système d’orientation. Par contre, le rendement est peu élevé, en raison d’une quantité limitée de l’énergie extraite du vent. Pour ces raisons, la technologie de l’axe vertical a connu un déclin progressif ces dernières années [15]-[34]-[35]. Actuellement, le marché est donc dominé par les éoliennes à axe horizontal (deux pales ou trois pales) (voir Figure 1.3). Le rotor de ce type d’éolienne est situé au sommet d’une tour où le vent a plus d’énergie et moins de turbulence. Le générateur et le dispositif de transmission sont regroupés à l’intérieur de la nacelle. Cette dernière comprend également un mécanisme qui permet d’orienter la nacelle et le rotor afin de suivre la direction du vent. En mode de fonctionnement normal, le rotor est face au vent afin d’extraire le maximum d’énergie. Le système éolien à axe horizontal se compose principalement de (voir Figure 1.3) [32]-[15]-[36] .

• les pales du rotor, qui extraient l’énergie cinétique disponible dans le vent et la transforment en énergie mécanique ;
• la nacelle, qui regroupe le système de contrôle de la puissance, le dispositif de transmission (arbre de transmission), le multiplicateur qui augmente la vitesse de rotation pour entraîner le générateur. Ce dernier transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Pour certaines éoliennes, la commande de la nacelle sert à limiter la puissance produite pour de fortes vitesses de vent [37] ;
• le moyeu qui relie les pales au dispositif de transmission ;
• l’actionneur des angles de calage des pales, qui peut être un système hydraulique, électrique ou électromécanique (voir Figure 1.4), et qui est placé à l’intérieur du moyeu afin d’orienter les pales. Les pales sont pilotés afin d’optimiser la puissance produite par l’éolienne en fonction des conditions de vent, et éventuellement afin de limiter la puissance produite lorsque la vitesse de vent est forte [38] ;

• la tour ou le mât qui porte les pales et la nacelle.

Éolienne à vitesse fixe et variable

Au cours des deux dernières décennies, l’industrie a fait des progrès technologiques dans la structure des éoliennes. Les turbines éoliennes ont initialement été conçues pour des vitesses fixes, la génératrice étant reliée directement au réseau électrique (Figure 1.5). Cela signifie que, indépendamment de la vitesse du vent, la vitesse du rotor de l’éolienne doit être fixe. Les éoliennes à vitesse constante permettent d’utiliser des génératrices simples dont la vitesse de rotation est imposée par la  fréquence du signal sur le réseau électrique. Par contre, les turbulences du vent entraînent des fluctuations de puissance et affectent la qualité de l’énergie produite.

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Table des matières

1 Introduction générale
1.1 État de l’art
1.1.1 Historique
1.1.2 Éoliennes à axe vertical ou horizontal
1.1.3 Éolienne à vitesse fixe et variable
1.1.4 Génératrices utilisées dans les éoliennes
1.1.5 Commande des éoliennes
1.2 Motivation et objectifs
1.3 Organisation du rapport
I Étude d’une éolienne simple
2 Modélisation de la chaîne de conversion
2.1 Introduction
2.2 Modèle aérodynamique
2.2.1 Incidence du vent sur la pale
2.2.2 Modèle de la turbine
2.3 Modèle de l’arbre de transmission (arbre mécanique)
2.3.1 Modèle à double masse
2.3.2 Modèle à simple masse
2.4 Modèle de l’actionneur de l’angle de calage
2.5 Modélisation de la génératrice électrique [1]-[2]-[3]
2.5.1 Modèle triphasé de la MSAP
2.5.2 Transformation triphasé-diphasé de la MSAP (modèle d − q)
2.6 Un premier modèle d’état d’une éolienne
2.7 Conclusion
3 Commande d’une éolienne à vitesse et angle de calage des pales variables
3.1 Introduction
3.2 Zones de fonctionnement d’une éolienne
3.3 Principe de commande dans les zones II et III
3.3.1 Zone II. Optimisation de la puissance produite
3.3.2 Zone III. Limitation de la puissance produite
3.3.3 Zone de commutation entre les zones II et III
3.4 Synthèse des lois de commande
3.4.1 Stratégie de maximisation du couple (zone II) [4]-[5]
3.4.2 Principe de la commande vectorielle
3.4.3 Commandes basées PI
3.4.4 Commandes basées backstepping [6]
3.4.5 Commande de l’angle de calage (zone III)
3.5 Simulations et analyse
3.5.1 Scénario 1 : fonctionnement en charge partielle (zone II)
3.5.2 Scénario 2 : fonctionnement en pleine charge (zone III)
3.5.3 Scénario 3 : fonctionnement dans les deux zones et dans l’inter-zone
3.5.4 Scénario 4 : test de robustesse
3.6 Conclusion
II Étude d’une nouvelle structure d’éolienne double
4 Commande d’une éolienne double par le différentiel des angles de calage des pales
4.1 Introduction
4.2 Présentation du concept SEREO
4.3 Principe général
4.4 Modélisation de la structure SEREO [7]-[8]
4.4.1 Modèle mécanique
4.4.2 Modèle électrique
4.4.3 Modèle non linéaire complet de la structure SEREO
4.5 Un modèle de commande du système SEREO
4.6 Formulation du problème de commande
4.7 Commande par mode glissant d’ordre 1 [8]
4.7.1 Principe de la commande par mode glissant d’ordre 1
4.7.2 Application à la structure SEREO
4.7.3 Résultats de simulations
4.8 Commande par mode glissant d’ordre deux
4.8.1 Conception des lois de commande
4.8.2 Résultats de simulation
4.9 Commande backstepping avec action intégrale [9]
4.9.1 Commande en vitesse des éoliennes
4.9.2 Commande de l’angle d’orientation
4.10 Résultats de simulation
4.11 Conclusion
5 Commande d’une éolienne double par différence de puissance
5.1 Introduction
5.2 Principe général
5.3 Rappel du modèle réduit de la structure SEREO
5.4 Formulation du problème de la commande
5.5 Commande Super-Twisting
5.5.1 Rappels [10]-[11]
5.5.2 Application au système SEREO
5.6 Analyse des résultats de simulation
5.6.1 Test avec la fonction discontinue sign
5.6.2 Scénario 1. Production maximale et rotation face au vent
5.6.3 Scénario 2. Analyse de la robustesse (incertitudes paramétriques)
5.7 Conclusion
6 Conclusions

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