| Titre : | Modélisation d'une chaine de conversion basée sur une machine asynchrone à double alimentation |
| Auteurs : | Azzouz Tamaarat, Auteur ; A BENAKCHA H, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2009 |
| Format : | 106.P / Ill / 30/20 cm |
| Accompagnement : | CD |
| Langues: | Français |
| Langues originales: | Français |
| Résumé : |
L’énergie éolienne est une source d’énergie utilisée depuis des siècles. En plus de son exploitation en mer pour faire avancer les bateaux, ce type d’énergie a été exploité sur terre durant au moins les 3000 dernières années [Chi 2008], [Ack 2002 a]. En effet, des moulins à vent à axe vertical étaient déjà utilisés dans les hautes terres afghanes (7 siècles A.C) pour moudre du grain. Ainsi, dans un premier temps, l’énergie cinétique du vent était uniquement transformée en énergie mécanique [Cam 2003].
La première production de l'énergie électrique à partir de la vitesse du vent a été faite en 1887 par Charles Brush. Cette production est basée sur une génératrice à courant continu de puissance 12 kW pour charger les batteries. La machine d'induction a été utilisée la première fois en 1951 dans la production de l’énergie éolienne [Sot 0000]. A la suite de la fabrication du premier aérogénérateur, les ingénieurs danois améliorèrent cette technologie durant les 1ère et 2ème guerres mondiales pour faire face à la pénurie d’énergie électrique. Malgré certains succès technologiques obtenus à cette époque, l’intérêt pour l’exploitation de l’énergie éolienne à grande échelle déclina à la fin de la 2ème guerre mondiale. C’est principalement la crise pétrolière de 1974 qui a relancé les études et les expériences sur les éoliennes [Mul 2002 a]. Aujourd’hui, cette filière d’énergie à connaît un développement rapide sur le plan technique et économique. La capacité de cette énergie dans le monde est estimée être plus de 160 GW [Chi 2008]. Le coût de l’énergie éolienne est en baisse constante depuis plusieurs années. Ce prix dépend de nombreux facteurs et est, par conséquent, différent d’un pays à l’autre. Malgré tout, on peut dire que le coût de cette énergie est amélioré ces dernières années [Cam 2003]. Actuellement les aérogénérateurs produisent environ 0,4 % de l’électricité mondiale selon les sites, peut être plus, mais le taux de croissance est élevé à 2,5 % de l’énergie électrique pourraient être d’origine éolienne vers 2010 [Mul 2002] et 10 % vers 2020 [Mul 2002 a]. La croissance de l’énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de l’utilisation de ce type d’énergie. L’avantage principal des systèmes éoliens est le fait que l’énergie primaire est gratuite. L’énergie éolienne est une énergie qui respecte l’environnement. L’énergie éolienne est une énergie renouvelable. C’est une source d’énergie locale. C’est l’énergie la moins chère de toutes les énergies renouvelables [Avi 1999]. Cette source d’énergie a également des inconvénients qu’il faut prendre en compte [Cam 2003]: l’impact visuel, le bruit, l’impact sur les oiseaux, Captage et conversion de l’énergie complexe, source d’énergie (vent) aléatoire Le système étudié ici est constitué d’un aérogénérateur tripales, à axe horizontal, connecté au réseau par une machine asynchrone à double alimentation (MADA). Cette machine est donc un générateur à induction à rotor bobiné. Les enroulements du stator sont connectés directement au réseau triphasé, alors que les enroulements du rotor sont reliés à des convertisseurs de puissance AC-AC bidirectionnels en courant. On peut résumer notre travail à trois objectifs à atteindre : La réduction du coût de l’aérogénérateur: Avec des éoliennes à vitesse variable connectées au réseau à travers une seule voie par des convertisseurs de puissance, l’inconvénient principal est le surcoût introduit par l’incorporation de ses convertisseurs. Ce coût dépend de la taille des convertisseurs de fréquence ainsi que de leurs systèmes de refroidissement. L’utilisation des machines asynchrones à rotor bobiné permet de minimiser ces facteurs car la plus grande partie de la puissance est directement distribuée au réseau par le stator et autour de 25% de la puissance totale passe par les convertisseurs de puissance à travers le rotor [Iov 2003]. Les convertisseurs sont dimensionnés pour faire transiter la puissance rotorique qui représente 20 à 30 % de la puissance nominale, ce qui présente un intérêt économique par la minimisation des pertes et le coût [Abd 2003 a] et par conséquence la minimisation du coût de ce type d’énergie. Maximisation du rendement énergétique : Ce facteur est directement lié à la stabilité du système mécanique, et par conséquence, la minimisation de sa fatigue. L’objectif en charge partielle est donc de capter le maximum d’énergie possible. Un rendement énergétique maximal est assuré par un rendement aérodynamique maximal. Ce rendement dépend de la vitesse spécifique, c’est à dire du rapport entre la vitesse en bout de pale (proportionnelle à la vitesse de rotation de l’aéroturbine) et de la vitesse du vent. Pour optimiser le captage de l’énergie contenue dans le vent dans cette zone (charge partielle), la commande de l’éolienne doit se faire de sorte que la vitesse de rotation du rotor s’adapte à la vitesse du vent afin que la vitesse spécifique soit optimale. Amélioration de la qualité de puissance électrique : Jusqu’il y a quelques années, la plupart des aérogénérateurs fonctionnaient à vitesse fixe, avec un générateur asynchrone à cage d’écureuil. Ce type de générateur consomme de la puissance réactive. L’installation de parcs éoliens posait des problèmes pour le réseau électrique, notamment pour des réseaux faibles qui ne pouvaient pas fournir cette énergie réactive[Ack 2002 a]. Le problème de consommation de l’énergie réactive ne se pose pas avec une éolienne basée sur une MADA et, la machine électrique (la MADA) de l’aérogénérateur étudié ici permet de contrôler l’échange de puissance réactive avec le réseau. Ce travail est structuré comme indiqué ci-dessous. La première partie du premier chapitre rappelle les notions de bases de fonctionnement d’un système éolien et les principales équations pour décrire la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Les stratégies de fonctionnement d’une éolienne sont également décrites. Ces rappels sont suivis par un bref résumé sur la conversion électromagnétique à travers les différents types des génératrices Le deuxième chapitre consiste en la modélisation séparée des éléments de la chaîne de conversion (la partie mécanique, la MADA et les convertisseurs électroniques). Des résultats de simulation sont obtenus. Cette simulation est importante car elle permet de tester chaque partie du modèle indépendamment afin de comprendre le comportement des éléments face au système général. Le troisième et dernier chapitre analyse l’ensemble de cette chaîne pour la première zone de fonctionnement avec une commande mécanique fixée à un angle de calage β =1. Nous commençons ce chapitre par présenter la commande vectorielle qui nous permet de commander de façon indépendante les puissances active et réactive de la chaîne de conversion éolienne. Les consignes de la puissance active sont directement liées à la vitesse de rotation de l’éolienne selon l’algorithme d’extraction du maximum de puissance (MPPT Maximum Power Point Tracking) dans cette zone de fonctionnement. Les consignes de la puissance réactive sont données dans le but d’avoir un facteur de puissance constant afin de fournir au réseau ou absorber de ce dernier une puissance réactive réglable pendant toute la durée de fonctionnement. Nous terminons notre étude par une conclusion générale et des perspectives de ce travail. |
| Sommaire : |
Introduction générale….1
Chapitre I Principes de conversion de l’énergie éolienne et bref historique sur les aérogénérateurs I.1 Introduction….5 I.2 - Descriptif et qualités de l'énergie éolienne.5 I.2.1 Définition de l'énergie éolienne.5 I.2.2 Principaux composants d’une éolienne (à axe horizontal).8 I.3 Notions théoriques sur l’éolienne….9 I.3.1 La conversion aérodynamique et loi de Betz .9 I.3.2 Production d’énergie mécanique ….11 I.3.3 Systèmes de régulation mécanique de la vitesse de rotation d’une éolienne….12 I.3.4 Les différentes phases de fonctionnement de l’éolienne à vitesse variable .13 I.4 Les systèmes de conversion électromagnétique de l’énergie éolienne….15 I.4.1 Machines Asynchrones à cage (MAS) .15 I.4.2 Génératrices synchrones ….15 I.4.3 Machines asynchrones à double alimentation (MADA) .16 I.5 Description du fonctionnement de la MADA.18 I.5.1 Structure de la machine.18 I.5.2 Mode de fonctionnement de la MADA….18 I.6 La connexion au réseau….21 Conclusion… Chapitre II:Modélisation des éléments de la chaîne de conversion Introduction….24 II.2 La modélisation de la MADA……24 II.2.1 Modèle généralisé d’une MADA …24 II.2.1.1 Rappel sur la loi de Faraday……25 II.2.1.2 Mise en équation de la partie électrique dans le plan a, b, c …25 II.2.1.3 Modèle de la machine dans le repère de Park….29 II.2.2 Calcul du couple électromagnétique…32 II.2.3 Les résultas de la simulation.33 II.2.3.1 Essai de la machine asynchrone……33 II.2.3.2 Essai de la machine double alimentée …35 II.3.1 La modélisation.38 II.3.1.1 La modélisation du vent…38 II.3.1.2 Modélisation de la turbine……39 II.3.1.3 Modèle du multiplicateur…40 II.3.1.4 Equation dynamique de l’arbre…40 II.3.2 Approximation numérique……42 II.4 Modèles des convertisseurs de puissance…47 II.4.2 Construction du convertisseur bidirectionnel…49 II.4.2.1 Modèle des convertisseurs de puissance dans le repère naturel …51 II.4.2.2 Modèle du convertisseur de puissance dans le repère effectif (d, q)…53 II.4.3 Modèle du filtre.54 II.4.3.1 Modèle du filtre dans le repère naturel….54 II.4.3.2 Modèle de filtre dans le repère effectif (d, q)…55 II.4.4 Modélisation du bus continu….57 Conclusion.58 Chapitre III:Commande des puissances active et réactive de la MADA par des régulateurs PI III.1 Introduction.60 III.2 Stratégie de commande de la MADA…..60 III.3 Contrôle des puissances active et réactive….61 III.3.1 Commande vectorielle de la MADA (en génératrice).61 III.3.1.1 Rappel du modèle diphasé de la MADA .61 III.3.1.3 Relations entre tensions et courants rotoriques….64 III.3.1.4 Principe général et simplifie de la III.3.2 Commande vectorielle par le convertisseur CCR.68 III.4 Les tests de la commande….69 III.4.1 Premier essai (vitesse de rotation fixe) ….69 III.5 Fonctionnement dans la deuxième partie des zones de fonctionnement..72 III.5.1 Optimisation de la conversion énergétique : Zone II - (charge partielle).74 III.5.2 Le contrôle avec asservissement de la vitesse.74 III.5.3 deuxième essai (vitesse du vent variable avec introduction de la MPPT).75 III.5.4 Troisième essai (La robustesse de la commande).82 III.5.4.1 Robustesse vis-à-vis de la vitesse du vent….82 III.5.4.2 Robustesse vis-à-vis le changement de l’inertie .86 III.5.5 Quatrième essai (correction du facteur de puissance) .88 III.6 Conclusion…95 Conclusion générale..96 Annexe..99 Bibliographie..102 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0128 | Mémoire de magistere | BIB.FAC.ST. | Empruntable | Salle de mémoires et de théses |
Documents numériques (1)
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