Magister en : Electrotechnique

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1 انج س ت انجضائش ت انذ مشاط ت انشعب ت République Algéienne Démocatique et Populaie صاسة انتعه ى انعان انبحث انعه Minitèe de l Eneignement Supéieu et de la Recheche Scientifique Univeité Mohamed Khide Bika Faculté de Science et de la technologie Dépatement : Génie électique Ref : جايعت يح ذ خ ضش بسكشة كه ت انعه و انتك ن ج ا قسم : الهندسة الكهربائية المرجع : Mémoie péenté en vue de l obtention du diplôme de Magite en : Electotechnique Option : Enegie Renouvelable Simulation de la commande vectoielle pa égulateu à mode gliant d une chaîne éolienne à bae d une machine aynchone à double alimentation Péenté pa : Bennou Cheif Soutenu publiquement le 19/11/212 Devant le juy compoé de : P. Achou BETKA Pofeeu Péident Univeité de Bika D. Amo BOUREK Maîte de Conféence A Rappoteu Univeité de Bika D. Abdelhamid BENAKCHA Maîte de Conféence A Examinateu Univeité de Bika D. Aezki MENACER Maîte de Conféence A Examinateu Univeité de Bika

2 Remeciement Le tavaux péenté dan ce mémoie ont été effectué au ein du laboatoie de génie électique de l univeité de Bika (LGEB) Aini, je tien à expime me vif emeciement à Monieu Amo BOUREK, maîte de conféence de l univeité de Bika, pou avoi diigé ce tavail, et pou la confiance et l'intéêt qu'il a témoigné tout au long de la éaliation de ce tavail. Me emeciement ditingué vont à Monieu Achou BETKA, pofeeu de l univeité de Bika, pou m'avoi fait l'honneu de péide le juy. Je emecie vivement Monieu Abdelhamid BENAKCHA, maîte de conféence de l univeité de Bika, pou avoi accepté d'examine ce mémoie. Me vif emeciement vont aui à monieu Aezki MENACER, Maîte de conféence de l univeité de Bika pou avoi accepte d'examine ce tavail en me faiant l honneu de paticipe à ce juy. Enfin je emecie tou ceux qui ont paticipé de pé ou de loin à l'élaboation de ce tavail.

3 يهخص: زا انع م عانج إشكان ت انتحكى بإستشات ج ت ان ظ اال ضالل تطب م ا ف ظاو تح م انطالت ان ائ ت انزي حت ي عهى ياك ت اليتضاي ت راث تغز ت يضد جت ( انساك ي ص ل يباششة بانشبكت ايا انذ اس فب اسطت يم و عهى انتسهسم يع ي ب(. ز انتم ت جذث فعان ت ا ف تغ ش ب ت اال ظ ت باستخذاي ا نما ان شالبت غ ش انخط ت. ان ذف ي رنك تطب ك ز اإلستشات ج ت نهتحكى ف تبادل انمذسة انفعانت انمذسة انشجع ت نهساك بتغز ت انذ اس ب اسطت يح ل ث ائ االتجا. تائج ان حاكاة انعذد ت انت تى انحص ل عه ا تظ ش اال ت او ان تضا ذ ي زا انتحكى ف أ ظ ت انطالت. كه اث يفتاح : انمذسة. ياك ة اليتضاي ت راث تغز ت يضد جت ان ظ اال ضالق ي انتحكى انشعاع انتحكى ف Réumé : Ce tavail péente une technique de commande pa mode gliant appliquée au ytème de conveion d énegie éolienne équipée d une généatice aynchone à double alimentation. Cette technique touve a plu fote jutification aux poblème d incetitude du modèle pa l utiliation d une loi de commande non linéaie. L objectif et d applique cette commande pou contôle l échange de puiance active et éactive généée pa la machine aynchone avec le éeau en agiant u le ignaux otoique via un convetieu bidiectionnel. Le éultat de imulation numéique obtenu montent l intéêt coiant d une telle commande dan le ytème électique. Mot clé : généatice aynchone à double alimentation, mode gliant, commande vectoielle, contôle de puiance Abtact: Thi wok peent a technique of liding mode contol applied to the ytem of wind enegy conveion equipped with a doubly-fed induction geneato. Thi technique find it tonget jutification fo model uncetainty poblem by uing a nonlinea contol law. The goal i to apply thi command to contol the exchange of active and eactive powe geneated by the doubly-fed induction geneato with the netwok acting on the oto ignal via a bidiectional convete. The numeical imulation eult obtained how the gowing inteet of uch a contol in electical ytem. Keywod: doubly-fed induction geneato, liding mode, oiented flux contol, powe contol.

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5 Notation et ymbole ymbole V : Vitee du vent P V : Denité de pobabilité de la vitee du vent P V k : Facteu de fome de la coube C : Facteu d échelle de la coube P V V moy : Vitee moyenne du vent ff : Féquence de vent clam V 1 V 2 S P P C m mt p R P V n n 1 2 et : Vitee du vent en amont de l aéogénéateu : Vitee du vent en aval de l aéogénéateu : Mae volumique de l ai : Suface balayée pa le pâle : Puiance extaite du vent : Puiance totale du vent : Coefficient de puiance : Rayon de pale : Vitee de otation avant le multiplicateu : Vitee de otation apè multiplicateu : Puiance nominale : Vitee nominale du vent V : Vitee du vent etimée : Vitee de otation etimée de la tubine t.et C. : Couple etimé de la tubine g et V max : Vitee maximale du vent V min : Vitee minimale du vent : Angle de calage opt : Vitee de otation optimale de la généatice min : Vitee de otation minimale de la généatice max : Vitee de otation maximale de la généatice : Vitee pécifique : Vitee pécifique optimale opt P : Vaiation de puiance V : Vaiation de la vitee de vent C : Couple électomagnétique em C : Couple aéodynamique avant multiplicateu ae C : Couple mécanique apè multiplicateu g C : Couple électomagnétique de éféence em ef : Vitee de otation de éféence ef : Vitee de otation de la machine t : Vitee de otation de la tubine F : fonction de tanfèe du égulateu de vitee J : moment d inetie totale

6 Notation et ymbole J m J t cpmax : moment d inetie de la machine : moment d inetie de la tubine : Vitee pécifique coepondant à Cp max C : Couple éitant dû au fottement V : Vitee du vent en un point t V t : Vitee du vent lentement vaiable V t t : Vitee du vent tubillant L v K C f f v t m t abc : Echelle de longueu de la tubulence : Ecat type de la tubulence : Coefficient d intenité de la tubulence : Coefficient de couple : Coefficient de fottement de la machine : Coefficient de fottement de la tubine V : Tenion imple du tato de la MADA V : Tenion imple du oto de la MADA abc I : Couant du tato de la MADA abc I : Couant du oto de la MADA abc : Flux tatoique de la MADA abc abc : Flux otoique de la MADA R : Réitance d une phae due tato R : Réitance d une phae du oto L : Inductance pope d une phae du tato L : Inductance pope d une phae du oto M : Inductance mutuelle ente phae du tato M : Inductance mutuelle ente phae du tato et du oto M : Inductance mutuelle ente phae du oto M : Inductance mutuelle maximale n : Nombe de paie de pôle p V d, V : Compoante de la tenion tatoique epectivement uivant l axe d et q q V d, V : Compoante de la tenion otoique epectivement uivant l axe d et q q I d, I : Compoante du couant tatoique epectivement uivant l axe d et q q I d, I : Compoante du couant otoique epectivement uivant l axe d et q q q, : Compoante du flux tatoique epectivement uivant l axe d et q q d, : Compoante du flux otoique epectivement uivant l axe d et q q P : Matice de tanfomation diecte de PARK P : Matice de tanfomation invee de PARK 1 coo : Vitee de otation du epèe de PARK : Vitee électique du champ tounant : Vitee électique du oto

7 Notation et ymbole gl : Vitee angulaie du gliement V : Tenion efficace de la ligne abc R l L l : Réitance de la ligne : Inductance de la ligne S abc : Etat de inteupteu de l onduleu U dc : Tenion aux bone du bu continu (tenion edeée) P Q P Q ef : Puiance active tatoique : Puiance éactive tatoique : Puiance active otoique : Puiance éactive otoique P : Puiance active de éféence tatoique Q : Puiance éactive de éféence tatoique ef S x : Suface de gliement d une vaiable à égule S x : Déivé de la uface de gliement d une vaiable à égule V x : Fonction de Lyapunov S P : Suface de gliement pou puiance active S Q : Suface de gliement pou puiance éactive e x : Eeu ente la éféence et la vaiable à égule u n : Degé elatif de la uface de gliement : Commande dicontinue u : Commande équivalente eq f f g G RMG : Féquence tatoique : Féquence otoique : Gliement : Gain du multiplicateu : égulateu à mode gliant

8 Sommaie Sommaie : Intoduction généale... 1 Chapite 1 : conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine 1. Intoduction Hitoique Deciptif et qualité de l énegie éolienne Définition de l énegie éolienne Oigine du Vent Caactéitique hoizontale du vent Ditibution de Weibull Ditibution hybide de Weibull Ditibution de Rayleigh Le difféent type d éolienne Eolienne à axe hoizontal Eolienne à axe vetical (VAWT) Pincipaux compoant d une éolienne à axe hoizontal Enegie cinétique du vent et conveion en énegie mécanique Loi de Betz notion théoique Poduction d énegie mécanique Régulation mécanique de la puiance d une éolienne Le ytème «pitch» Le ytème «tall» Poduction optimale d'énegie Le difféent type d MPPT éolien Maximiation de la puiance an la connaiance de la coube caactéitique de la voilue Maximiation de la puiance avec connaiance de la coube caactéitique de la voilue Maximiation de la puiance avec aeviement de la vitee Maximiation de la puiance an aeviement de la vitee Type de machine électique Généatice aynchone à cage Machine aynchone à double alimentation (MADA) Généatice ynchone Avantage et inconvénient de l énegie éolienne Modéliation de la patie mécanique de la chaîne de conveion Modéliation de la vitee du vent Expeion du vent en un point fixe Filte patial Modèle de la tubine Modéliation de l abe de la machine Modéliation du multiplicateu Concluion... 26

9 Sommaie Chapite 2 : Etude et modéliation de la machine aynchone à double alimentation 1. Intoduction Stuctue de la machine Pincipe de fonctionnement de la machine aynchone à double alimentation Claification de machine à double alimentation Domaine d application de la MADA Fonctionnement moteu pou application indutiel Fonctionnement en moteu avec deux convetieu Fonctionnement en moteu avec un eul convetieu Sytème de généation éolienne à vitee vaiable Difféente tuctue d alimentation de la MADA dan le ytème éolien Machine aynchone à double alimentation «type buhle» MADA à énegie otoique diipée Stuctue de kame Stuctue de Schebiu avec convetieu MLI Stuctue de Schebiu avec cyclo-convetieu Convetieu Maticiel Mode de fonctionnement de la MADA Fonctionnement en mode moteu hypoynchone Fonctionnement en mode moteu hypeynchone Fonctionnement en mode généateu hypoynchone Fonctionnement en mode généateu hypeynchone Modéliation de la machine à double alimentation Hypothèe implificatice Modèle de la MADA dan le epèe abc Changement de epèe Tanfomation de Pak Equation électique et magnétique dan le ytème d axe (d, q) Choix du éféentiel Modèle biphaé de la MADA lié au champ tounant Mie ou fome d équation d état Simulation de la machine aynchone a double alimentation Modéliation de l alimentation de la MADA commandée pa le oto Stuctue généale du edeeu MLI Pincipe de fonctionnement en edeeu MLI Repéentation fonctionnelle du edeeu MLI dan le éféentiel tiphaé Réultat de imulation Modéliation de l onduleu tiphaé à MLI Concluion Chapite 3 : contôle de la puiance active et éactive pa de égulateu PI 1. Intoduction Pincipe de la commande vectoielle Modèle de la MADA avec oientation du flux tatoique Choix du éféentiel pou le modèle diphaé Réultat de imulation... 61

10 Sommaie 4.1 Eai 1 : fonctionnement à vitee fixe Intepétation de éultat Eai du fonctionnement en MPPT Statégie MPPT Réultat de imulation Intepétation de éultat Concluion Chapite 4 : contôle de la puiance active et éactive pa de égulateu à mode gliant 1. Intoduction Pincipe de la commande pa mode de gliement de ytème à tuctue vaiable Conception de la commande pa mode de gliement Choix de uface de gliement Condition de convegence Fonction de Lyapunov Détemination de la loi de commande La commande équivalente La commande dicontinue de bae Utiliation du RMG pou le contôle de la puiance active et éactive de la MADA Contôle de la puiance active Contôle de la puiance éactive Calcul de paamète K Vq et K Vd Réultat de imulation Eai de fonctionnement à vitee fixe Intepétation de éultat Eai de fonctionnement en MPPT Intepétation de éultat Compaaion ente la commande pa égulateu PI et RMG Vaiation de la éitance otoique Vaiation de la vitee du vent Concluion Concluion généale... 9 Annexe Bibiliogaphie

11 Lite de figue : Lite de figue : Fig.1.1: Conveion de l'énegie cinétique du vent... 4 Fig.1.2 :Type de montage de la voilue a) upwind b) downwind... 7 Fig.1.3 :Tubine à axe vetical... 7 Fig.1.4 : pincipaux patie d'une éolienne... 8 Fig.1.5: Tube de couant autou d'une éolienne... 9 Fig.1.6: Coefficient de puiance... 1 Fig.1.7: Coefficient de puiance pou difféent type d éolienne... 1 Fig.1.8: Puiance théoique diponible pou un type d'éolienne donné Fig.1.9 :Caactéitique puiance/vitee du vent d une éolienne claique Fig.1.1 La caactéitique d une éolienne en fonction de pou difféente valeu de.. 13 Fig.1.11 : Puiance founie d une éolienne en fonction a la vitee Fig1.12 : Loi de commande optimale d'une éolienne à vitee vaiable Fig.1.13 : bouclage de la geneatice au éeau Fig.1.14 : Sytème éolien baé u la machine aynchone à cage Fig 1.15: Sytème éolien baé u la machine aynchone à cage à féquence vaiable Fig.1.16 : Sytème éolien baé u la machine aynchone à oto bobiné vaiation de la vitee de otation pa églage de la éitance du oto Fig.1.17: Sytème éolien baé u la machine aynchone à double alimentation égulation de la vitee de otation pa action u le gliement Fig.1.18 Sytème éolien baé u la machine ynchone à aimant pemanent Fig.1.19 : Sytème éolien baé u la machine ynchone... 2 Fig.1.2: Contuction d une éie tempoelle de la vitee du vent Fig.1.21 : Pofil de vent dué de Fig.1.22 : définition de 3 niveaux du vent avant et apè le filte patial Fig.1.23 : (a) Coefficient de la puiance et (b) puiance mécanique de la tubine Fig 1.24 : Schéma ynoptique du modèle dynamique de la tubine éolienne Fig.2.1 : Stuctue du tato et de contact otoique de la MADA Fig.2.2 : Schéma de pincipe d une imple MADA Fig.2.3 : Schéma de pincipe de deux MADA en cacade Fig.2.4: Schéma de pincipe de deux machine aynchone eliée mécaniquement et électiquement pa le oto Fig.2.5: Schéma d un ytème utiliant une MADA en moteu alimenté pa deux convetieu... 3 Fig.2.6 : Schéma d un ytème utiliant une MADA en moteu alimenté pa un eul convetieu Fig..2.7 : Schéma de l alimentation de la MADA pou une application généatice Fig. 2.8 : Machine aynchone à double bobinage au tato Fig.2.9 : Vaiation de la vitee pa églage de la éitance du oto Fig.2.1 : Stuctue de kame Fig.2.11: Stuctue de Schebiu avec convetieu MLI Fig.2.12: Stuctue de Schebiu avec cycloconvetieu Fig.2.13: Stuctue avec convetieu maticiel... 35

12 Lite de figue : Fig.2.14 :Fonctionnement en mode moteu hypoynchone Fig.2.15 :Fonctionnement en mode moteu hypeynchone Fig.2.16 :Fonctionnement en mode généateu hypoynchone Fig.2.17 :Fonctionnement en mode généateu hypeynchone Fig.2.18 :Repéentation chématique d une MADA Fig.2.19 :Repéentation de la MADA dan le epèe de Pak... 4 Fig.2.2 :Compoante du flux tatoique Fig.2.21 :Compoante du couant tatoique Fig.2.22 : Vitee et couple électomagnétique Fig.2.23 :Puiance active et éactive du tato Fig.2.24 :Vitee et couple électomagnétique Fig.2.25 :Couant tatoique et otoique Fig.2.26: Stuctue d alimentation de la MADA pa un cacade onduleu- edeeu MLI Fig :Signal de poteue et le ignaux de éféence Fig.2.28 : Modulateu MLI à bande d hytééi Fig.2.29 : Schéma de pincipe d un edeeu MLI Fig.2.3 : Schéma fonctionnel d un edeeu MLI... 5 Fig.2.31 : Redeeu MLI tiphaé et a commande Fig.2.32 : Allue de la tenion du bu continu U dc et du couant de chage i ch Fig.2.33 : Tenion de otie d une phae de l onduleu Fig.3.1 : Oientation de flux tatoique Fig.3.2 : Schéma bloc de la tuctue de commande pa oientation du flux tatoique de la MADA alimentée en tenion Fig.3.3: Vitee de otation et le couant de la phae a du tato Fig.3.4: Puiance active de tato avec un zoom Fig.3.5 :Puiance éactive de tato avec un zoom Fig.3.6 :Couant tatoique elon l axe d et l axe q Fig.3.7 :Puiance active et éactive du oto Fig.3.8. : Tenion et le couant otoique Fig.3.9: Schéma-bloc de la tatégie MPPT an meue de la vitee du vent Fig.3.1 :Vitee du vent et C t coefficient de puiance C p Fig.3.11: Couple de la tubine et le couple de la généatice C em Fig.3.12: Puiance active et éactive du tato avec un zoom Fig.3.13: Couant d une phae du tato et le gliement g Fig.3.14: Puiance active et éactive du oto Fig.3.15: Tenion et le couant otoique Fig.4.1 : Mode de fonctionnement dan le plan de phae... 7 Fig.4.2 : Tajectoie de l état vi-à-vi de la uface Fig.4.3 : Schéma fonctionnelle de la commande équivalente Fig.4.4: Commande équivalente u eq Fig.4.5 : Fonction «ign» Fig.4.6 : Commande adoucie «at»... 75

13 Lite de figue : Fig.4.7 : Commande intégale Fig.4.8: Schéma bloc de la tuctue de commande pa mode gliant Fig.4.9 : Puiance active du tato avec un zoom... 8 Fig.4.1 :Puiance éactive du tato avec un zoom... 8 Fig.4.11 :Compoante du couant du oto oto I d et I q Fig.4.12 :Tenion et couant otoique Fig.4.13 :Puiance active et éactive otoique Fig.4.14: Vitee de otation V(m/) et couant du tato Fig.4.15 :Vitee du vent et coefficient de puiance Cp Fig4.16 : Puiance active et éactive du tato Fig4.17 : Puiance active et la puiance éactive du oto Fig4.18 : Couant et le tenion otoique Fig4.19: Couple de la tubine et le couple de la généatice Fig4.2 :Vitee de otation du généatice et le gliement Fig4.21 :Couant du tato Fig.4.22 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa égulateu PI Fig.4.23 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa RMG Fig.4.24 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa égulateu PI avec une augmentation de 3% de la eitance otoique Fig.4.25 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa RMG avec une augmentation de 3% de la eitance otoique Fig.4.26 :Pofil du vent utilié Fig.4.27 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa égulateu PI Fig.4.28 :Puiance active et éactive du tato obtenue pa RMG... 89

14 Lite de figue :

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16 Intoduction généale Intoduction généale : La coiance contante de la conommation d énegie ou toute e fome et le effet polluant aocié, pincipalement caué pa la combution de énegie foile, ont au cœu de la poblématique du développement duable et du oin de l envionnement dan une dicuion pou l aveni de la planète. Le ecteu de la généation électique et le pemie conommateu d énegie pimaie et le deux tie de e ouce ont de cabuant foile. Il et techniquement et économiquement capable de faie de effot impotant pou éduie le atteinte de l activité humaine u le climat et l envionnement. Une de poibilité et d accoîte le taux de poduction d électicité à pati de eouce de type non-foile et enouvelable [1]. Dan ce contexte généal, note étude intéee à la filièe éolienne qui emble une de plu pometteue avec un taux de coiance mondial tè élevé[2]. Si la filièe du «gand éolien» (feme de fote puiance, ite offhoe, ) et en pleine expanion, l idée de décentalie l énegie en poduiant de petite quantité de façon localiée (poche du beoin) et de plu en plu péente. Pami le application potentielle de ce qu on à l habitude de qualifie de «petit éolien» (gamme juqu à 1kW), on peut cite le domaine de l électification uale pou une conommation locale d électicité ou pou a tanfomation ve d aute ecteu énegétique : pompage, taitement de l eau, électolye de l eau et tockage d hydogène à plu long teme,...au delà de ce éeaux iolé, on pale aui aujoud hui d intégation de énegie enouvelable en ite ubain. En effet, uite notamment aux incident écemment intevenu u le éeaux nationaux et intenationaux, et dan le contexte «délicat» de la déèglementation du ecteu de l énegie, l idée d un habitat patiellement, voi totalement autonome en énegie («bâtiment zéo énegie») fait on chemin. O, pou ce qui concene l éolien, le giement à poximité de habitation ont nettement moin égulie et a pioi moin pefomant que le ite dégagé et néceitent impéativement une getion optimiée (ytème à féquence vaiable, ) tout en etant peu coûteue. La multiplication de éolienne a conduit le checheu en génie électique à mene de invetigation de façon à amélioe l'efficacité de la conveion électomécanique et la qualité de l'énegie founie [3]. De no jou, la machine aynchone double alimentation (MADA) et la machine à vitee vaiable la plu couamment utiliée dan de unité de poduction éolienne upéieue 1

17 Intoduction généale à 1MW. Pou une même puiance de poduction, celle-ci pemet de éduie la puiance de convetieu de puiance tout en généant une puiance de otie impotante pa appot aux aute technologie de machine [4]. Le éolienne ont aui équipée d un ytème de commande baé u le convetieu d électonique de puiance pou adapte aux condition de vent. L enemble de l éolienne et contôlé de manièe à maximie en pemanence la puiance poduite en echechant chaque foi le point de fonctionnement à maximum de puiance. Le péent mémoie décit une étude u l'utiliation d une machine de type aynchone à double alimentation dan un ytème éolien. Un état de l at de l énegie éolienne ea péenté dan le pemie chapite de ce mémoie. Dan ce cade, la technologie éolienne et alo abodée. Le méthode de deciption du giement éolien ont donnée, ce qui et un de facteu du choix de la configuation de la chaîne éolienne. L achitectue de chaîne de conveion d énegie ont donné en aociation avec difféent type de généatice. A la fin de ce chapite, nou avon donné un modèle de la patie mécanique de la chaîne de conveion utiliée (vent et tubine éolienne). La patie électique de la chaîne de conveion étudiée et conacée à la machine aynchone à double alimentation et le convetieu d électonique de puiance qui ont le ujet du deuxième chapite. On péentea de généalité u la MADA, e application, e difféent mode de fonctionnement uivi pa un état de l at u la conveion électomécanique à tave le difféent type de généatice utiliée et le convetieu qui leu ont aocié. Enuite, on péentea la modéliation de la MADA, a mie en équation pemetta de imule ont modèle dan le mode moteu et généateu. On teminea cette patie pa la modéliation de l alimentation de la machine qui e compoe d un edeeu et d un onduleu épaé pa un bu continu. Le toiième chapite ea conacé à la commande vectoielle en puiance active et éactive tatoique de la machine aynchone à double alimentation qui et entaînée pa la tubine éolienne. Dan le chapite quate, nou intoduion un égulateu à mode gliant pou contôle la puiance active et éactive du tato. Enuite, une étude compaative de épone donnée pa ce égulateu à ceux donnée pa le égulateu PI, ea effectuée. Finalement, on teminea ce mémoie pa une concluion généale qui éume le éultat obtenu et expoe quelque pepective de echeche futue. 2

18 Chapite 1 : conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine

19 Chapite 1 Conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine 1. Intoduction Depui l'utiliation du moulin à vent, la technologie de capteu éolien n'a ceé d'évolue. C'et au début de année quaante que de vai pototype d'éolienne à pâle pofilée ont été utilié avec uccè pou génée l'électicité. Pluieu technologie ont utiliée pou capte l'énegie du vent (capteu à axe vetical ou à axe hoizontal) et le tuctue de capteu ont de plu en plu pefomante. Oute le caactéitique mécanique de l'éolienne, l'efficacité de la conveion de l'énegie mécanique en énegie électique et tè impotante. Là encoe, de nombeux dipoitif exitent et, pou la plupat, il utilient de machine ynchone et aynchone. Le tatégie de commande de ce machine et leu éventuelle inteface de connexion au éeau doivent pemette de capte un maximum d'énegie u une plage de vaiation de vitee de vent la plu lage poible, ceci dan le but d'amélioe la entabilité de intallation éolienne. 2. Hitoique Il y a plu de 3 an déjà, l énegie du vent était tanfomée en énegie mécanique, d une pat u tee pa le moulin et de ytème de pompage de 1'eau, d aute pat en me, pa le bateaux [5]. La généation d'énegie électique pa le vent a débute à la fin du 19 eme iècle. Pami le pionnie on peut cite Paul La Cou au Danemak qui a aocié une dynamo à une éolienne en Dan le année 195. Johanne Juul (élève de Paul La Cou) devient aui un pionnie dan l'utiliation de 1'énegie éolienne en contuiant le pemièe éolienne poduiant du couant altenatif. La pemièe cie pétolièe en 1973 contibua à éveille 1'intéêt pou 1'énegie éolienne dan pluieu pay. Le USA ont notamment lancé en Califonie une opéation a gande échelle au début de année 198 en paant de 7MWen 1981 a 386 MW en Aujoud'hui, le étude potent u l'amélioation de l'aéogénéateu aini que u la chaine de conveion de 1'énegie du vent en énegie électique exploitable pa le éeau. Le pemièe éolienne mettent en œuve une généatice aynchone liée aux pâle pa 1'intemédiaie d une boite de vitee, fonctionnant à vitee fixe et diectement eliée au éeau (pa d inteface électonique). Cette technologie et utout employée au Danemak dan le année 197. Le ytème le plu écent e diigent d une pat ve la vitee vaiable pou maximie la puiance captée du vent avec 1'inetion d électonique ente la généatice et le éeau, et d aute pat ve l'utiliation de généatice péciale tounant a bae vitee afin de 'affanchi du éducteu de vitee [6]. 3

20 Chapite 1 Conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine 3. Deciptif et qualité de l'énegie éolienne : 3.1 Définition de l'énegie éolienne : Un aéogénéateu, plu communément appelé éolienne, et un dipoitif qui tanfome une patie de l'énegie cinétique du vent (fluide en mouvement) en énegie mécanique diponible u un abe de tanmiion pui en énegie électique pa l'intemédiaie d'une généatice (figue 1.1) [3]. MULTIPLICATEUR DE VITESSE ALTERNATEUR ELECTRIQUE NACELLE PALE ROTOE DE GENERATEUR ENERGIE CINETIQUE ENERGIE MECANIQUE ENERGIE ELCTRIQUE Fig.1.1: Conveion de l'énegie cinétique du vent 3.2 Oigine du vent : Du fait que la tee et onde, le ayonnement olaie abobé diffèe aux pôle et à l équateu. En effet, l énegie abobée à l équateu et upéieue à celle abobée aux pôle. Cette vaiation entaîne une difféence de tempéatue en deux point qui induit de difféence de denité de mae d ai povoquant leu déplacement d une altitude à une aute. Ce déplacement ont influencé pa la foce de Coioli qui exece pependiculaiement à la diection du mouvement ve l et dan l hémiphèe nod et ve l ouet dan l hémiphèe ud. On pouait aiément pévoi la diection de vent dominant i elle n étaient pa petubée pa le oage, le obtacle natuel ou le dépeion cyclonique [7]. 3.3 Caactéitique hoizontale de vent : Le étude de modéliation de la ditibution de vitee du vent ont été oientée ve de modèle aociant puiance et exponentielle. Le modèle uuel étant [8] : la ditibution de Weibull. la ditibution hybide de Weibull. et la ditibution de Rayleigh. 4

21 Chapite Ditibution de Weibull : Conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine Comme c et difficile de manipule l enemble de donnée elative à une ditibution de la féquence du vent, il et plu convenable pou de conidéation théoique, de modélie l hitogamme de féquence de vitee du vent pa une fonction mathématique continue que pa une table de valeu dicète. On peut donc opte pou le modèle de Weibull. En effet, pou de péiode allant de quelque emaine juqu à une année, la fonction de Weibull epéente aionnablement le vitee obevée. Il agit d une fonction de denité de pobabilité, expimant ou la fome: Avec P V k1 k V C k V f V e (1.1) C C : et la denité de pobabilité de la vitee V ; k le facteu de fome de la coube (an dimenion) et C le facteu d échelle de la coube en m/. La vitee moyenne du vent peut ête touvée en intégant la fonction denité de pobabilité, oit donc la fomule (1.1) : V moy V dv V f (1.2) Aini, la ditibution de Weibull peut facilite beaucoup de calcul endu néceaie pa l analye de donnée du vent [8] Ditibution hybide de Weibull : La ditibution hybide de Weibull, et utiliée loque la féquence de vent calme enegitée, u un ite donné, et upéieue ou égale à 15%. En effet, cette popotion ne peut pa ête négligée et doit ête pie en compte lo de la caactéiation d un ite du point de vue éolien. Cette ditibution écit : f f V 1 ff V ff ; k C V C k1 k V exp C Où ff epéente la féquence de vent calme. ; V V (1.3) 5

22 Chapite 1 Conveion de l énegie éolienne : pincipe et modéliation de tubine Il exite de nombeue méthode pou détemine k et C à pati d une ditibution de vent donnée [8]: 1.125Vmoy C k 1 B 1 moy Ditibution de Rayleigh : 1 B.483 Vmoy 2.81V La ditibution de Rayleigh et un ca paticulie de la ditibution de Weibull pou le ca où le facteu de fome k et égal à 2. Sa denité de pobabilité et donnée pa : 2 V C (1.4) V f V 2 e (1.7) 2 C Toutefoi la ditibution de Weibull claique (fonction de deux paamète) et la plu indiquée. L'utiliation de ce deux paamète pemet l évaluation d un nombe impotant de popiété de la ditibution, d'où une meilleue caactéiation de ite [7]. 4. Le difféent type d éolienne : Le éolienne e divient en deux gande famille : celle à axe vetical et celle à axe hoizontal. 4.1 Eolienne à axe hoizontal : Le voilue à axe hoizontal ont de loin le plu utiliée actuellement. Le difféente contuction de aéogénéateu utilient le voilue à deux, toi pale (le plu couante) et le multipale. La voilue peut ête placée avant la nacelle (upwind) et alo un ytème mécanique d oientation de la uface active de l éolienne «face au vent» et néceaie. Une aute olution qui pemet d allége la contuction pa la uppeion de toute mécanique d oientation et l emplacement de la tubine deièe la nacelle (downwind). Dan ce ca la tubine e place automatiquement face au vent. La figue 1.2 monte le deux pocédé [2]. 6