Soutenance mémoire
MODÉLISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS
Intérêts socio-économiques du sujet
La production d’électricité à partir de l’énergie éolienne est l’une des méthodes qui connaît la croissance la plus rapide dans le monde. L’énergie cinétique de l’air en mouvement est transformée en électricité par des éoliennes qui sont installées à des endroits où les conditions météorologiques sont les plus propices. Les éoliennes peuvent être utilisées individuellement, mais elles sont souvent regroupées pour former des « parcs éoliens » ou des « centrales éoliennes ». L’électricité produite à partir des parcs éoliens peut servir à répondre à des besoins locaux ou à alimenter un
réseau de distribution d’électricité desservant des résidences et des commerces qui sont plus éloignés. L’utilisation de cette forme d’énergie permet de réduire les effets de la production d’électricité sur l’environnement, car elle nécessite aucun combustible et ne produit aucun polluant ni gaz à effet de serre.
En raison de sa situation géographique, le Canada se prête parfaitement à l’exploitation à grande échelle de l’énergie éolienne et pourrait en tirer de grands avantages, notamment des économies d’énergie à l’échelle du réseau et des réductions d’émissions de gaz à effet de serre et de contaminants atmosphériques. À titre d’exemple, une simple installation de 6 éoliennes d’une capacité de 65 kW à Terre Neuve pourrait produire environ 1 million de kwh d’électricité par année et réduire d’environ 750 tonnes les rejets de C02. Cependant, il est nécessaire de poursuivre
l’amélioration continue des technologies pour parvenir à incorporer de grandes quantités d’énergie éolienne, à améliorer l’efficacité des éoliennes, à prolonger leur durée de vie et atténuer les problèmes d’interconnexion.Différents types de génératrices peuvent être utilisés pour convertir l’énergie mécanique produite par le mouvement de l’arbre éolien en énergie électrique. Les génératrices synchrones à aimants permanents, avec différentes structures, ont pris de plus en plus la prédominance sur les autres machines électriques. Ce développement s’explique par la caractéristique d’auto-excitation des aimants permanents qui leur permet de fonctionner avec un facteur de puissance élevé et un bon rendement, qui les rend intéressantes dans les applications de conversion d’énergie éolienne. Ce type demachine permet d’extraire un maximum d’énergie en réduisant les contraintes mécaniques, cela par élimination du multiplicateur de vitesse; ce qui améliore la fiabilité du système et la réduction des frais d’entretien.
Intérêts scientifiques du sujet
D’un point de vue scientifique, l’étude du comportement dynamique des machines nécessite la simulation numérique des modèles complexes. La maîtrise de la prédiction et de 1 ‘identification devient une nécessité pour développer un modèle précis de la machine synchrone à aimants permanents pour la prédiction des défauts de court-circuit, le délestage et 1’ enclenchement des charges, vus les nombreux défis industriels dans le domaine de la production de l’énergie électrique. Dans le domaine de la conception et de la commande des machines synchrones à
aimants permanents, les modèles les mieux adaptés pour répondre à ces deux exigences sont : être assez précis pour retranscrire correctement les phénomènes physiques mis en jeu et être suffisamment simple pour offrir des temps de calcul acceptables.
Le développement des onduleurs à modulation de largeur d’impulsions à semi conducteurs à grande vitesse de commutation (tels que les transistors à grilles isolées, les transistors bipolaires, les transistors à effet de champ et les thyristors à extinction par la gâchette) a permis une meilleure maîtrise de conversion d’énergie. Parallèlement, les moyens de calcul ont considérablement évolué, ce qui a permis l’application de nouveaux algorithmes de commande assurant :
• Une bonne performance dynamique.
• La robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques, des perturbations externes et des conditions d’utilisation.
• La minimisation des ondulations du couple.
Dans ce travail, nous nous sommes intéressé à l’étude d’une chaine complète de conversion d’énergie éolienne basée sur une génératrice synchrone à aimants permanents, nous avons également étudié des stratégies de commande permettant l’optimisation de l’énergie extraite par la turbine ainsi que des contrôleurs permettant de commander la puissance électrique fournie au réseau.
Organisation des différentes parties du rapport
Nous avons commencé par une introduction générale, présentant les intérêts socio économiques et scientifiques, par la suite, dans le chapitre 2 nous avons présenté l’état de l’art et l’ évolution de la production des énergies renouvelables dans le monde du 1970 aux années 2030. Dans ce cadre, la technologie éolienne est abordée et développée. Les méthodes de description du gisement éolien sont décrites par quelques exemples, habituellement utilisés à l’échelle industrielle et l’architecture de la chaîne de conversion d’énergie est donnée en association avec différents types de génératrices.Au chapitre 3, nous avons développé un modèle de la machine synchrone à aimants permanents, en présentant le modèle mathématique de la génératrice synchrone à aimants permanents (GSAP), la conversion des équations dans le référentiel de Park, la réduction des équations, nous avons aussi développé un modèle globale de la génératrice contenant une charge résistive et inductive. Les conditions initiales sont calculées. Le modèle globale de la génératrice est proposé pour l’analyse en régime permanent, ce dernier a été mis en œuvre à l’aide du logiciel « Matlab » et validés avec des essais expérimentaux obtenus sur une machine de laboratoire. Le chapitre 4 est consacré à la modélisation de la turbine et aux différents modes de fonctionnement. Nous avons établi un modèle de simulation en insistant notamment sur les caractères mécaniques. Pour l’optimisation de la puissance éolienne, deux régulateurs sont calculés : un Proportionnel Intégral (PI) à avance de phase et un PI avec anticipation, afin de déduire 1 ‘efficacité de chacun.Dans le cinquième chapitre, nous avons abordé l’étude des performances du contrôle vectoriel par orientation du flux au niveau du stator de la génératrice synchrone à aimants permanents, associé à un convertisseur et un bus continu. Initialement, nous avons présenté le principe général de la commande vectorielle. Ensuite, nous avons abordé les structures des blocs de régulation des courants et de vitesse pour cette stratégie de commande. Finalement nous avons déterminé les paramètres des régulateurs (correcteur Proportionnelle Intégrale).
À la fin dans le sixième chapitre nous avons développé l’architecture du dispositif de commande de la chaine de production globale d’énergie éolienne. Nous avons abordé le problème lié à la puissance électrique produite par la génératrice grâce à l’entrainement de la turbine par la force du vent. La commande des puissances permet d’imposer une puissance active constante de référence égale à la valeur nominale ou une puissance active variante suivant les besoins de l’utilisation.
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Table des matières
RÉSUMÉ
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES
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
CHAPITRE 2 : GÉNÉRALITÉS SUR LES ÉNERGIES ÉOLIENNES
2.1 État de 1′ art et situation de 1′ éolien dans le contexte des énergies renouvelables
2.2 Génération d’énergie renouvelable
2.3 Production éolienne
2.4 Constitution d’une éolienne moderne
2.5 Éolienne à vitesse fixe ou à vitesse variable
2.6 Fonctionnement des éoliennes
2.6.1 Orientation de l’éolienne
2.6.2 Limitation de la puissance éolienne
2.7 Machines électriques et systèmes de conversion d’énergie éolienne
2. 7.1 Machine asynchrones à cage (MAS)
2.7.2 Machines asynchrones à double alimentation (MADA)
2. 7.3 Génératrices synchrones à aimants permanents
2.8 Matériaux magnétiques pour les machines électriques à aimants permanents
2. 8.1 Les aimants permanents
2.8.2 Type d’aimants utilisés dans les MSAP
2.8.2.1 Ferrite
2.8.2.2 Samarium-Cobalt
2.8.2.3 Néodyme-Fer-Bore
2.9 Conclusion
CHAPITRE 3 : MODÉLISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS
3.1 Introduction
3.2 Généralité sur les machines synchrones à aimants permanents
3.2.1 Principe de fonctionnement de la machine synchrone à aimants permanents
3.2.2 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents
fonctionnement mode génératrice
3.2.2.1 Hypothèses simplificatrices
3.2.2.2 Équations électriques de la génératrice synchrone à aimants
permanents
Équations mécaniques
Modèle de la machine synchrone à aimant permanent dans le repère
Équations électriques dans le repère de Park (d, q)
Équations de flux
Schéma équivalent de la MSAP en régime transitoire
3.2.2.8 Équations de la génératrice à aimants permanents en régime permanent
3.2.2.9 Schéma simplifié de la génératrice synchrone à aimants permanents
en régime permanent
3.2.2.1 0 Diagramme vectoriel de la génératrice synchrone à aimants
permanents
3.2.2.11 Calcull ‘angle du rotor
3.2.3 Calcul des puissances
3.2.3.1 Puissance apparente
3.2.3.2 Puissance active et réactive
3.2.3.3 Puissance dans le repère de Park
3.2.4 Calcul les conditions initiales
3.2.5 Expression du couple électromagnétique
3.2.6 Modèle d’état de la MSAP
3.3 Modèle global de la MSAP développé avec une charge résistive et inductive
3.3.1 Modèle de la charge dans le repère de Park
3.3.1.1 Équations de flux
3.3.1.2 Équations des tensions
3.3.1.3 Équations des courants
3.3.1.4 Équations des Flux
3.3.2 Modèle global la GSAP avec Z 11gne = 0
3.3.3 Modèle global de la GSAP avec Zligne :t 0
3.3.4 Étude de stabilité
3.3.5 Les valeurs réduites
3.4 Résultats de simulation
3.4.1 Court-circuit total
3.4.2 Enclenchement d’une charge résistive à 50%
3.4.3 Délestage partiel à 50% avec une charge résistive
3. 5 V ali dation expérimentale
3.5.1 Description du bloc d’essai exprimental
3.5.2 Principe des essais dynamiques
3.5.2.1 Principe de court-circuit
3.5.2.2 Principe d’enclenchement ou de délestage
3.6 Résultats des essais expérimentaux
3. 6.1 Essai de court-circuit triphasé
3.6.2 Essai d’enclenchement
3.6.3 Essai de délestage
3.6.4 Discussions
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4: MODÉLISATION ET STRATÉGIE DE COMMANDE DE LA TURBINE ÉOLIENNE
4.1 Introduction
4.2 Principe de fonctionnement
4. 2.1 Conversion de 1 ‘énergie cinétique du vent en énergie électrique
4.2.2 Production d’énergie mécanique
4.3 Modélisation de la turbine
4.3.1 Les pales
4.3.2 Modèle de multiplicateur de vitesse
4.3.3 Équation dynamique de l’arbre de transmission
4.4 Stratégie de la commande
4.4.1 Zones de fonctionnement de l’éolienne
4.4.2 Configuration de la commande
4.4.3 Méthodes de recherche du point maximum de puissance
4.4.4 Maximisation de la puissance sans asservissement de vitesse
4.4. 5 Maximisation de la puissance avec asservissement de vitesse
4. 5 Conception du correcteur de vitesse
4. 5.1 Correcteur PI à avance de phase
4.5.2 Correcteur PI avec anticipation
4.6 Simulation et résultats
4. 6.1 Sans asservissement de vitesse
4. 6.1 PI à avance de phase
4.6.2 Régulateur PI
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5: COMMANDE VECTORIELLE DE LA GÉNÉRATRICE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS
5.1 Introduction
5.2 Modélisation de convertisseur
5.3 Commande du convertisseur de puissance
5.4 Modélisation de bus continu
5. 5 Modèle du filtre de sortie
5.6 Commande vectorielle
5.6.1 Principe et structure de la commande vectorielle de la génératrice
5.6.2 Décomposition des tensions
5.6.3 Boucle de commande
5.6.4 Contrôle de la puissance de la génératrice
5.6.5 Synthèse des Contrôleurs Pl du convertisseur de puissance
5.7 Résultats de simulation
5 . 8 Interprétation
5.9 Conclusion
CHAPITRE 6 : COMMANDE DE LA CHAINE GLOBALE DE CONVERSION ÉOLIENNE À LA BASE D’UNE GÉNÉRATRICE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS
6.1 Introduction
6.2 Modélisation du couplage mécanique entre la turbine et la génératrice
6.3 Pertes des puissances dans la chaine éolienne
6.3.1 Pertes mécaniques
6.3.2 Pertes Joules
6.3.3 Pertes fer
6.4 Simulation sans commande
6.5 Interprétation des résultats
6.6 Commande de la puissance active et réactive
6.7 Architecture du dispositif de commande
6.8 Résultats de simulations avec correcteur proportionnel Intégral (PI)
6.9 Interprétation des résultats
6.10 Régulation de la puissance active suivant les besoins de 1′ utilisation
6.11 Interprétation des résultats
6.12 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES
ANNEXES
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