WindformerTM. Production à grande échelle d électricité d origine éolienne. Mikael Dahlgren, Harry Frank, Mats Leijon, Fredrik Owman, Lars Walfridsson

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1 WindformerTM Production à grande échelle d électricité d origine éolienne Mikael Dahlgren, Harry Frank, Mats Leijon, Fredrik Owman, Lars Walfridsson Un vent d innovations technologiques souffle sur l énergie éolienne. Et avec une capacité de production installée de 13,4 gigawatts qui équivaut à plus de 20 grandes centrales thermiques, toutes les prévisions sont dépassées! Une technologie encore plus performante ouvre de nouveaux horizons: le système intégré Windformer pour la production d électricité éolienne offshore et littorale, et son transport jusqu au réseau électrique. Windformer délivre jusqu à 20% de puissance en plus et réduit de moitié les coûts de maintenance. C est à partir de la technologie avancée de câbles développée pour le Powerformer (générateur ABB) que des ingénieurs du Groupe ABB ont conçu un aérogénérateur ne nécessitant ni multiplicateur ni transformateur, rendant les fermes éoliennes plus fiables et réduisant les pertes électriques. Revue ABB 3/

2 Transmission and Distribution 1 Les vitesses moyennes de vent en mer se traduisent par une plus grande production d énergie et les parcs offshore par un moindre impact environnemental. L éolien est la source d énergie qui a connu le développement le plus rapide au cours des cinq dernières années avec 40% de croissance annuelle. En 1999, les nouvelles tranches, atteignant presque 4 gigawatts, étaient en augmentation de 51% par rapport à l année précédente. Ainsi, fin 1999, la puissance éolienne totale installée était de MW et avait fourni environ 30 TWh dans l année [1]. On prévoit que la demande mondiale d électricité passera de à TWh entre 2000 et Cet accroissement sera surtout le fait des pays en voie de développement, la progression étant estimée à 1,8%/an pour les nations industrialisées, soit environ 3500 TWh sur la même période. Les besoins en nouvelles capacités de production destinées à couvrir la consommation mondiale en électricité devraient être de TWh d ici 2020 [2]. Si les préoccupations écologiques continuent d orienter le choix des nouvelles solutions de production, le développement des sources d énergies renouvelables devrait se poursuivre à un rythme plus soutenu que si seuls comptaient les facteurs économiques. Le Protocole de Kyoto, avec l accent mis sur les rejets de CO 2 et autres gaz à effet de serre, souligne la dimension mondiale des problèmes d environnement et l importance des énergies renouvelables. C est dans les régions où les marchés énergétiques sont le plus fortement influencés par les aspects environnementaux (Amérique du Nord, Europe de l Ouest, Japon, Australie et Nouvelle-Zélande) [1] que les énergies renouvelables devraient se développer le plus rapidement. En 1999, 3922 MW éoliens ont été installés dans le monde et l on prévoit un doublement de ce chiffre au cours des trois à quatre prochaines années. Le marché mondial représentait quelque 3 milliards de dollars en 1999 et croît d environ 20% par an [1]. Le potentiel de croissance de l énergie éolienne est considérable. La plupart des installations sont situées en mer 1 où des vitesses moyennes de vent élevées se traduisent par une plus grande production d énergie. Les installations offshore atténuent également l impact environnemental, se trouvant hors champs visuel et auditif. Les travaux de développement se poursuivent pour réaliser des unités plus puissantes et le vent peut désormais s imposer comme une source d énergie majeure, exploitée dans de grandes fermes éoliennes produisant des centaines de MW. De ce fait, les industriels du secteur doivent désormais voir plus loin que la simple fourniture de petites éoliennes individuelles et proposer des solutions «systèmes». Pour réussir sur ce marché, les fournisseurs doivent appréhender la chaîne de l énergie dans son intégralité et prouver que leurs compétences et leur savoir-faire vont de la source d énergie jusqu au consommateur électrique final. Windformer est un nouveau système éolien développé par ABB pour les centrales éoliennes offshore et littorales. Les aérogénérateurs associés au concept Windformer peuvent produire de 3 à 5 MW d énergie électrique. Ce niveau de puissance présente plusieurs avantages, à commencer par un gain de place, car pour une capacité de production donnée, il faut moins de machines. Cela réduit l impact visuel 2 et les nuisances sonores des aérogénérateurs. Basé sur la technologie Powerformer [3, 4, 5], le générateur Windformer est dotée d un rotor à aimants permanents tournant à 32 Revue ABB 3/2000

3 2 Windformer produisant plus d énergie, il faut moins d aérogénérateurs (gauche) que pour une ferme éolienne de capacité comparable équipée d aérogénérateurs traditionnels (droite). vitesse variable et directement couplé à la turbine. La tension élevée (> 20 kv) produite par le générateur est convertie en courant continu par un redresseur à diodes. Les aérogénérateurs sont raccordés en groupes, la puissance étant transmise par un câble au poste du réseau avec onduleur, directement relié au réseau de la compagnie d électricité 3. La haute technologie en toute simplicité La technologie Windformer a été conçue dans un souci de simplicité, intégrant des systèmes stables qui fournissent de l énergie (Photomontage) avec un haut niveau de fiabilité et de faibles pertes. Cette simplicité peut se résumer ainsi: Energie primaire vent, gratuite Rotor Fer, aimants permanents Stator Fer, câbles Redresseur Diodes Transport Câbles Onduleur Transistors Un système électrique complet Avec le développement des parcs d éoliennes, les fournisseurs d équipements devront de plus en plus assumer la responsabilité complète du système d énergie électrique. Les systèmes complets doivent être optimisés, pas seulement leurs composants, ce qui exige une démarche globale, avec des solutions qui couvrent aussi bien le système de production d électricité éolienne que son transport jusqu au réseau électrique. Le concept Windformer d ABB repose sur une solution globale avec choix des systèmes les mieux adaptés aux contraintes et conditions réelles de l application. Groupes Windformer pour fermes éoliennes La figure 4 présente un groupe de production Windformer composé de plusieurs aérogénérateurs pouvant fournir jusqu à 40 MW. Le groupe de production est raccordé à un réseau HT via un onduleur installé dans un poste de réseau. Pour les parcs d éoliennes offshore, ce poste se trouve à terre, aisément accessible pour les interventions de maintenance et d entretien. Il contrôle séparément les puissances active et réactive, ce qui permet même de connecter le parc à un réseau faible. Grâce à la technologie Windformer, les variations de la force du vent ou l effet de sillage dû à d autres éoliennes n engendrent aucune fluctuation de 3 Schématisation du système Windformer. Le courant continu issu de la ferme éolienne est transmis par un câble au poste du réseau avec onduleur, directement relié au réseau de la compagnie d électricité. Revue ABB 3/

4 Transmission and Distribution 4 Groupe de production Windformer composé de plusieurs aérogénérateurs. Pouvant fournir jusqu à 40 MW, le groupe de production est raccordé à un réseau HT via un onduleur. la tension réseau susceptible d affecter les charges connectées à proximité. Cet aspect est particulièrement avantageux pour les réseaux faibles. En utilisant un onduleur pour réguler la tension c.c., on régule indirectement la vitesse du générateur, optimisant la production d énergie. Les pales de la turbine sont à pas variable, ce qui sert principalement à ajuster la puissance absorbée pour éviter l emballement. Un rotor à aimants permanents transforme l énergie cinétique en énergie électrique. Le générateur est directement couplé à la turbine et fonctionne dans une plage de fréquence de 5 à 10 Hz. La tension choisie, qui est au moins de 20 kv, dépend de l optimisation du système Windformer. Un redresseur à diodes convertit la tension alternative basse fréquence en tension continue. Une ferme éolienne Windformer comporte plusieurs groupes de production. Dans la configuration actuelle, ils peuvent produire jusqu à 40 MW et sont raccordés via des câbles à l onduleur d un poste de réseau terrestre. Le niveau et le type de tension de la ferme éolienne sont déterminés notamment Tableau: Comparatif Windformer et ferme éolienne classique à générateur asynchrone Windformer Turbine Générateur Powerformer Rotor à aimants permanents Redresseur à diodes Câble c.c. en grappe Ferme éolienne à générateur asynchrone Turbine Multiplicateur Générateur asynchrone Compensation réactive Démarreur progressif Transformateur de turbine Câble c.a. en grappe En mer A terre <100 km <40 km >40 km Transformateur de transport Transformateur de transport Station HVDC Light Plate-forme en mer pour trans- Plate-forme en mer pour HVDC formateur de transport Light et transformateur de transp. Câble de transport à c.c. Câble de transport à c.a. Câble de transport à c.c. Onduleur Poste SVC Station HVDC Light Transformateur de réseau Transformateur de réseau Transformateur de réseau 34 Revue ABB 3/2000

5 en fonction du mode de raccordement aux et une ferme éolienne classique sont présentées dans le Tableau. réseaux existants et de la réglementation en vigueur les concernant, de la puissance du Le système Windformer d ABB se parc éolien, de la puissance maximale distingue par plusieurs avantages: faibles délivrée par unité de surface, de la distance pertes; électronique de puissance de chaque jusqu au réseau et de l impact environnemental (en particulier visuel). une meilleure disponibilité; fluctuation de la aérogénérateur réduite au minimum, d où A titre d exemple, un parc éolien classique compte entre 10 et 100 éoliennes de ces active et réactive régulées séparément. tension dans le réseau c.a. réduite; puissan- 500 kw à 2 MW, chacune équipée d un En résumé, le système de régulation générateur asynchrone de 0,7 kv de tension terrestre optimise la puissance délivrée par nominale. Ces générateurs sont raccordés en l ensemble d un parc éolien. Il s agit-là d une série à un transformateur élévateur. Dans les différence notable par rapport aux systèmes grandes fermes éoliennes, un transformateur qui régulent la puissance débitée par chaque du poste élève la tension jusqu à kv. aérogénérateur. Les différences entre la solution Windformer 5 Comparaison de la configuration de l aérogénérateur Windformer et de la configuration d un aérogénérateur traditionnel. Configuration traditionnelle Multiplicateur Gén. Transf. Stator Enroulement à câble Configuration Windformer Aimant permanent Windformer Rotor Site pilote Un site pilote sera implanté prochainement à Näsudden, en Suède. Les participants à ce projet pilote sont ABB, Scanwind, Vattenfall AB et le ministère suédois de l énergie. Même s il s agit d une version offshore, il sera installé à terre pour simplifier les travaux de validation et les essais. La puissance nominale de 3,0 MW de l aérogénérateur sera augmentée pour les applications offshore. Fonctionnant à vitesse variable dans une plage de vitesses de vent de 5 à 28 m/s, il délivre sa puissance nominale à une vitesse du vent de 13 m/s. Sous la vitesse nominale de la turbine, l angle des pales est maintenu dans la position optimale; à vitesse nominale, les pales se mettent en drapeau pour limiter la puissance produite. La puissance débitée est réduite graduellement de 3 MW à 500 kw pour des vitesses de vent entre 18 et 27 m/s. L incidence sur la production annuelle d énergie est marginale, mais cette réduction contribue pour beaucoup à optimiser la durée de vie de l aérogénérateur. La production annuelle d énergie d une éolienne offshore est estimée à environ 11 GWh sur la base d une vitesse de vent annuelle moyenne de 8,0 m/s. L hélice, à trois pales en fibre de verreépoxy, mesure 90 m de diamètre. Le moyeu de l éolienne de Näsudden est à 70 m du sol. Du Powerformer au Windformer Le concept Windformer intègre un générateur Powerformer avec enroulement à câble directement couplé à la turbine. La rotation à vitesse variable (± 18 tr/min) limite les efforts de même que les nuisances sonores par vent faible. Revue ABB 3/

6 Transmission and Distribution 6 Vue en coupe de l aérogénérateur Windformer, illustrant le rotor et le stator à enroulement à câble. 7 Prototype d aérogénérateur Windformer lors des premiers essais. Le stator à enroulement à câble et le rotor à aimants permanents apparaissent clairement. Le système Windformer ne comporte aucun multiplicateur 5, 6. La suppression de ce composant réduit les pertes et les besoins de maintenance. Il faut souligner que la configuration classique avec multiplicateur tournant à vitesse fixe de 1500 tr/min fait, en un mois, le même nombre de tours qu un aérogénérateur Windformer à couplage direct en 10 ans. Le faible nombre de composants sensibles de Windformer contribue aux niveaux extrêmement élevés de fiabilité et de disponibilité. Ces caractéristiques et une maintenance réduite sont cruciales pour les applications offshore où l accès aux aérogénérateurs est limité. Des mesures spéciales ont été prises pour protéger le générateur des conditions climatiques particulièrement sévères (humidité permanente, atmosphère saline). Stator Le stator est basé sur la technologie Powerformer [3, 4, 5]. Il utilise donc des câbles de section ronde 7 au lieu des conducteurs de cuivre isolés de section carrée des générateurs traditionnels. Le champ électrique étant entièrement confiné dans le câble, il n y a aucun problème de décharges aux extrémités des enroulements et aux connexions, caractéristiques des générateurs classiques. Les pertes dans les enroulements sont moindres du fait de la tension plus élevée. L utilisation de câbles limite également le risque de défauts entre phases et le concept lui-même réduit les courants de court-circuit. Parallèlement, les problèmes de sécurité liés au générateur sont réduits du fait du nombre restreint de composants électriques. Pour résumer, on 36 Revue ABB 3/2000

7 8 Calcul du flux magnétique généré dans les aimants permanents de l aérogénérateur Windformer. peut affirmer qu un générateur basé sur la technologie Powerformer offre une disponibilité plus élevée, un rendement supérieur et des coûts d exploitation et de maintenance inférieurs du fait des composants moins nombreux. La technologie du Powerformer a encore été améliorée en cours de développement du Windformer. Citons, par exemple, l enroulement complet du générateur Windformer qui ne comporte aucun raccord. Rotor Dans toutes les applications Powerformer précédentes, le flux magnétique était induit dans le rotor par les bobines portées par les noyaux polaires. Le courant magnétisant et les bagues de contact, alors nécessaires, engendraient des pertes électriques. Avec Windformer, le champ magnétique du stator est produit par des aimants permanents, aucun équipement auxiliaire n étant nécessaire pour l induction du flux magnétique dans le rotor 8. Un rotor à aimants permanents ne nécessite aucun refroidissement car les pertes sont faibles. Outre son rendement amélioré, ce rotor présente d autres avantages: disponibilité et fiabilité accrues, maintenance réduite. Lors du développement du générateur Windformer, une attention particulière a été portée à l optimisation du circuit magnétique. Par exemple, ce dernier est dimensionné pour éviter la démagnétisation des aimants permanents. Le rotor multipolaire a un diamètre d entrefer supérieur à 6 m, ce qui en fait probablement le plus grand rotor à aimants permanents jamais construit. Windformer est adapté à la production offshore. Par exemple, les aimants permanents en matériau anticorrosion offrent une excellente tenue aux environnements sévères et minimisent la maintenance. De même, les enroulements à câbles du stator résistent à l environnement marin, sans risque de contournement électrique. L analyse du cycle de vie effectuée sur d autres installations Powerformer met en évidence les avantages écologiques du générateur. Il contribue notamment à réduire l impact environnemental du fait du rendement global amélioré et de l utilisation de matériaux écologiques. Les câbles des enroulements du stator, isolés au polyéthylène réticulé, sont exempts d huile. Les transformateurs de distribution, isolés à l huile et à la résine époxy, sont inutiles, supprimant tout risque d incendie et la manipulation d huiles dangereuses. De même, virtuellement toutes les pièces du générateur peuvent être recyclées en fin de vie. L utilisation d aimants permanents est un autre facteur positif pour l environnement. Perspectives L énergie éolienne, totalement renouvelable, est la source d énergie électrique qui connaît le plus fort développement à l échelle mondiale. Et elle continue de dépasser toutes les prévisions de croissance avec une puissance installée qui était quasiment nulle en 1990 alors qu elle avoisine aujourd hui les 13,4 gigawatts. Selon les estimations, les nouvelles installations pourraient représenter 10 gigawatts par an à l horizon Avec ses nombreux avantages, principalement ses puissance et rendement élevés, et sa simplicité de conception, Windformer ouvre la voie au marché des énergies renouvelables, avec une part croissante à l énergie éolienne. Auteurs Dr Mikael Dahlgren Harry Frank Dr Mats Leijon Dr Fredrik Owman Lars Walfridsson ABB Corporate Research SE Västerås Suède mikael.dahlgren@se.abb.com Fax: Bibliographie [1] International Wind Energy Development, World Market Update BTM Consultant ApS (2000). [2] International Energy Outlook Report DOE/EIA-0484 (1999). [3] M. Leijon: Powerformer une machine tournante résolument neuve. Revue ABB 2/98, [4] M. Leijon et al: Breaking conventions in electrical power plants. CIGRE 1998, paper 11:1.1. [5] R. Dettmer: The heart of a new machine. IEE Review 44, no 6, Revue ABB 3/

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