UNIVERSITE SETIF1 UFAS (ALGERIE) Mémoire de Magister. De Magister En Electrotechnique Option : Réseaux électriques Par : Melle. HIBER Wafa.

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1 وزارة التعليم العالي و البحث العلمي MINISTERE DE ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE A RECHERCHE SCIENTIFIQUE جامعة سطيف 1 UNIERSITE SETIF1 UFAS (AGERIE) Mémoie de Magite Péenté au dépatement d Electotechnique Faculté de Technologie Pou obteni le diplôme De Magite En Electotechnique Option : Réeaux électique Pa : Melle. HIBER Wafa Thème Analye hamonique dan un éeau électique avec une poduction d énegie éolienne Soutenu le 19/03/013 devant la commiion d examen compoée de : M. RAHMANI azha Pofeeu à l Univeité de Sétif Péident M. GHERBI Ahmed Pofeeu à l Univeité de Sétif Rappoteu M. RADJEAI Hammoud Maîte de Conféence à l Univeité de Sétif Examinateu M. HACHEMI Mabouk Maîte de Conféence à l Univeité de Sétif Examinateu

2 Dédicace Je dédie cette œuve qui et l aboutiement de pluieu année de acifice, à me ête le plu che au monde, d abod à la mémoie de mon pèe, que Dieu le gade dan on vate paadi, à ma tè chèe mèe. Duant cette longue péiode, elle n a ménagé aucun effot moal et matéiel pou me pête on aitance indéfectible que Dieu me la potège. A me fèe et me œu utout HAYAT. Ceci an oublie me pofeeu auxquel je end un vibant hommage pou la cience et le avoi podigué tout au long de mon cuu univeitaie. Ce qui m a pemi de éalie ce mémoie duquel il tieont toute leu fieté et qui, j epèe, ea à la hauteu de leu epéance. A mon fiancé et ma belle-famille notamment ma belle-mèe. A toute me amie. A tou ceux qui m ont aidé à éalie ce mémoie. Wafa.

3 Remeciement Je tien à emecie en tout pemie lieu P. Ahmed GHERBI, Diecteu de ce mémoie, je lui expime toute ma gatitude pou on expéience, on outien inconditionnel et e qualité humaine, on encadement qui m a offet la poibilité de éalie ce tavail et qui m a pemi d élagi mon pecte de connaiance cientifique. Je emecie également tou le membe du juy pou l intéêt qu il ont poté à mon tavail : P. RAHMANI azha pou m avoi fait l honneu de péide le juy de ce mémoie. D. RADJEAI Hamoud pou avoi accepté d ête examinateu de ce mémoie et pou a paticipation au juy. D. HACHEMI Mabouk pou avoi accepté d ête examinateu de ce tavail. Meci à me eneignant pou leu effot duant toute me année d étude à l univeité et à me collègue de l univeité qui m ont accompagné dan mon pacou. Finalement, me emeciement vont aui à l enemble de me camaade et me ami pou leu outien et leu encouagement tout au long de mon cuu. Sétif, le 19/03/013 W. HIBER

4 SOMMAIRE Sommaie INTRODUCTION GENERAE... 4 Chapite GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Intoduction Notion théoique u l énegie éolienne Difféente patie d un aéogénéateu Difféent type d éolienne Eolienne à axe hoizontal Eolienne à axe vetical Zone de fonctionnement de l éolienne Poduction optimale de l énegie Fonctionnement à vitee fixe Fonctionnement à vitee vaiable Machine utiliée dan le ytème éolien Sytème utiliant la machine ynchone Sytème utiliant la machine aynchone Avantage et inconvénient de l énegie éolienne Avantage Inconvénient Dipoitif de tockage de l énegie éolienne Concluion... 0 Chapite MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Intoduction Modéliation du ytème éolien à vitee vaiable baé u une MADA Deciption du ytème éolien Modéliation du ytème éolien Fonctionnement et modéliation de la MADA Deciption de la machine Stuctue de la machine Mode de fonctionnement... 6

5 SOMMAIRE.3.4. Alimentation de la MADA Modéliation de la machine aynchone à double alimentation Avantage et inconvénient Modéliation de l alimentation de la MADA Stuctue du convetieu tatique (edeeu à MI.onduleu) Modulation de ageu d Impulion Modéliation du edeeu tiphaé à diode Réultat de imulation Concluion... 4 Chapite COMMANDE ECTORIEE DE A MADA Intoduction Définition de la commande vectoielle Pincipe de la commande à flux oienté Choix de éféentiel Modèle de la MADA avec oientation du flux tatoique Relation ente puiance tatoique et couant otoique Relation ente tenion otoique et couant otoique Contôle indépendant de puiance active et éactive Etude de la égulation pou la commande Synthèe du égulateu Popotionnel-Intégal (PI) Calcul de égulateu Réultat de imulation Commande vectoielle diecte Commande indiecte Contôle de facteu de puiance Concluion Chapite POUTION HARMONIQUE DANS E RESEAU EECTRIQUE : EFFETS ET SOUTIONS Intoduction Définition de hamonique Intepétation de hamonique Souce de hamonique et leu effet Souce de hamonique... 64

6 SOMMAIRE Effet de hamonique Meue et pévention de hamonique Meue de hamonique Facteu de puiance Nome tandad Solution pou la dépollution hamonique Filtage paif Filtage actif Technique de commande utiliée dan le filtage actif paallèle Pincipe de filtage actif paallèle Commande de filte actif paallèle Fonctionnement de l enemble du ytème éolien avec filte actif paallèle Dimenionnement de paamète du égulateu PI Action popotionnelle Action intégale Simulation Réultat de imulation dan le ca du contôle pa MI Réultat de imulation dan le ca du contôle pa hytééi Réultat de imulation dan le ca du contôle pa hytééi modulé Concluion CONCUSIONS GENERAES ET PERSPECTIES...89

7 SOMMAIRE ite de figue Figue 1-1.Répatition de ouce pimaie d énegie dan le monde... 7 Figue 1-.Elément contitutif d une éolienne... 7 Figue 1-3.Tubine éolienne en amont et en aval... 8 Figue 1-4.Tubine à axe vetical... 9 Figue 1-5.Puiance utile u l abe en fonction de la vitee du vent Figue 1-6.Eolienne à vitee fixe Figue 1-7.Eolienne à vitee vaiable... 1 Figue 1-8.Sytème éolien à bae d une machine ynchone et un convetieu électonique Figue 1-9.Machine aynchone avec liaion diecte au éeau Figue 1-10.Machine aynchone connectée au éeau pa l intemédiaie d un edeeu-onduleu Figue 1-11.Machine aynchone à oto bobiné Figue 1-1.MADA avec contôle de gliement pa l énegie diipée Figue 1-13.Stuctue de KRAMER pou la MADA Figue 1-14.Stuctue de SCHERBIUS avec cycloconvetieu Figue 1-15.Stuctue de SCHERBIUS avec convetieu MI Figue -1.Sytème éolien à vitee vaiable baé u une MADA... Figue -.Eolienne baée u une MADA connectée au éeau... Figue -3.Modèle mécanique de la tubine éolienne... 4 Figue -4.Schéma bloc du modèle de la tubine... 5 Figue -5.Repéentation chématique d une MADA Figue -6.MADA connectée à deux éeaux tiphaé... 6 Figue -7.Fonctionnement en mode moteu hypo ynchone... 7 Figue -8.Fonctionnement en mode moteu hype ynchone... 7 Figue -9.Fonctionnement en mode généateu hypo ynchone... 7 Figue -10.Fonctionnement en mode généateu hype ynchone... 8 Figue -11.MADA commandée pa un eul convetieu alimentant le oto Figue -1.MADA commandée pa deux onduleu alimenté à tave deux edeeu Figue -13.Commande de la MADA pa deux onduleu alimenté à tave un edeeu commun... 9 Figue -14.Schéma de pincipe d un onduleu tiphaé alimentant le oto d une MADA Figue -15.Pincipe de commande en MI inu-tiangulaie Figue -16.Repéentation du edeeu tiphaé à diode Figue -17.Couple de la tubine et la vitee de otation... 41

8 SOMMAIRE Figue -18.Puiance active et éactive tatoique Figue -19.Couant tatoique Figue -0.Tenion du bu continu Figue -1.Déphaage ente tenion et couant d une phae tatoique de la GADA... 4 Figue 3-1.Schéma de pincipe du découplage de la MADA pa analogie avec la machine à couant continu Figue 3-.Oientation du flux tatoique, otoique et d entefe Figue 3-3.Schéma bloc du ytème à égule Figue 3-4.Schéma ynoptique de la commande vectoielle diecte de la GADA Figue 3-5. Schéma bloc de commande diecte de puiance active et éactive Figue 3-6. Schéma ynoptique de la commande indiecte avec boucle de puiance et de couant Figue 3-7. Schéma bloc de commande indiecte de puiance et de couant Figue 3-8.Poblème de commande implifié (contôle diecte) Figue 3-9.Schéma de bloc d un ytème égulé pa un PI pou le puiance Figue 3-10.Schéma bloc d un ytème égulé pa un PI pou le couant Figue 3-11.Réultat de imulation pou la commande diecte Figue 3-1.Réultat de imulation pou la commande indiecte Figue 3-13.Facteu de puiance coté tato Figue 4-1.Repéentation de l effet d un hamonique Figue 4-.(a) Filte paif éonant(b) Filte paif amoti Figue 4-3.Schéma de pincipe du filtage actif paallèle Figue 4-4.Schéma de pincipe du filtage actif éie Figue 4-5.Filte active éie et filte paif paallèle Figue 4-6.Filte actif éie connecté en éie avec un filte paif paallèle... 7 Figue 4-7.Filte actif paallèle avec filte paif paallèle... 7 Figue 4-8.Combinaion paallèle-éie de filte actif... 7 Figue 4-9.Pincipe de la compenation active de hamonique Figue 4-10.Schéma de la méthode claique de puiance active et éactive intantanée Figue Schéma de deux type claique de filte Figue 4-1.Pincipe du FM Figue Schéma de la méthode de puiance active et éactive intantanée en utiliant FM [8] Figue 4-14.Pincipe de la commande pa MI Figue 4-15.Commande conventionnelle pa hytééi Figue 4-16.Commande pa hytééi modulé Figue 4-17.Schéma du ytème avec filte actif paallèle Figue 4-18.Schéma du ytème étudié... 8

9 SOMMAIRE Figue 4-19.Couant de la chage non linéaie i ca Figue 4-0. Couant de la ouce avant filtage Figue 4-1.Specte hamonique du couant de la ouce Figue 4-. Couant de la ouce apè filtage Figue 4-3.Analye hamonique du couant de ouce apè filtage Figue 4-4.Couant injecté pa le filte actif Figue 4-5.Couant de la ouce apè filtage Figue 4-6. Analye hamonique du couant de ouce apè filtage Figue 4-7.Couant injecté pa le filte actif avec un zoom Figue 4-8. Couant de la ouce apè filtage Figue 4-9. Analye hamonique du couant de ouce apè filtage Figue 4-30.Couant injecté pa le filte actif... 87

10 SOMMAIRE ite de tableaux Tableau 4.1. Pincipale chage polluante [35] Tableau B. Tanfomation de CONCORDIA x

11 SOMMAIRE ite de Aconyme et Symbole Aconyme MADA GADA MAS MS MCC MI f.m.m PI Pak IGBT GTO IEEE CEI EDF FAP FPH FM UPQC THD Machine Aynchone à Double Alimentation Généatice Aynchone à Double Alimentation Machine aynchone Machine Synchone Machine à Couant Continu Modulation de ageu d Impulion Foce magnétomotice Popotionnel Intégal Tanfomation de Pak Tanito Bipolaie à Gâchette Iolée Gate Tun Off Intitute of Electical and Electonic Enginee Commiion Electotechnique Intenationale Electicité De Fance Filte Actif Paallèle Filte paallèle Hybide Filte Multi aiable Unified Powe Quality Conditione Taux de Ditoion Hamonique Symbole ρ t 3 a denité volumique de l ai ( kg / m ) P Puiance captée pa la tubine ( W ) C Coefficient de puiance p C t Couple mécanique( N. m) G Gain du multiplicateu n itee nominale du vent ( m / ) d itee du vent démaant la tubine ( m / ) max itee maximale du vent ( m / ) Tenion edeé ( ) λ ed itee elative de l éolienne β angle de calage de pale d une éolienne à axe hoizontal ( ) P Puiance théoique maximale extactible d un vent non petubé ( W ) g mt Gliement d une machine aynchone S Suface balayée pa le oto de l éolienne ( m ) Ω t itee angulaie de la tubine ( ed / ) f Féquence ( Hz ) P Puiance mécanique u l abe de la machine ( W ) mec 1

12 SOMMAIRE P Puiance active otoique ( W ) P Puiance active tatoique ( W ) P n Puiance nominale de la tubine ( W ) R Rayon de la tubine ( m ) ω itee angulaie de otation du oto ( ed / ) ω itee angulaie de otation du champ tounant ( ed / ) C Coefficient du couple de l éolienne m 3 J m Moment d inetie total de l enemble tubine et généateu ( kg. m ) f Coefficient de fottement viqueux R, R Réitance d une phae tatoique et otoique ( Ω ), Inductance cyclique tatoique et otoique ( H ) m Inductance mutuelle cyclique tato.oto (magnétiante) ( H ) I abc, I abc Couant tiphaé tatoique et otoique de la machine aynchone ( A ) I, Compoante du couant tatoique et otoique dan le epèe ( d, q) ( A ) p dq I dq Nombe de paie de pôle abc, abc Tenion tiphaée tatoique et otoique de la machine aynchone ( ) dq, dq Compoante de tenion tatoique et otoique dan le epèe ( d, q) ( ) θ Angle ente l axe otoique A et l axe tatoique a ( ad ) K p, K i Gain popotionnel et Gain intégal du égulateu PI ξ Coefficient d amotiement ω c Pulation fondamentale du éeau DC Tenion du bu continu ( ) ϕ, Flux tatoique et otoique ( Wb ) abc ϕ abc M Inductance mutuelle ente phae du tato M, Inductance mutuelle tato.tato et oto.oto ab M u u, u ao, bc ca Tenion compoée ( ), ubo uco Tenion d entée de l onduleu ( ), u u Tenion imple de la machine ( ) u, u an bn, m cn Indice de modulante f p Féquence de poteue ( Hz ) f Féquence de modulante ( Hz ) m ω, ω, ω Pulation électique de gandeu tatoique, otoique et de gliement θ θ, θ l, l Angle elatif aux pulation tatoique, otoique et de gliement ( ad ) P, Puiance active et éactive tatoique de la MADA ( W ), ( A) Q v 1, v 4 Petubation à ejete v, v 3 Teme de couplage ente le axe d et q ε d, ε q Petubation epéentant la omme de v1 et de éidu de couplage A t Amplitude du ignal tiangulaie ( H ) ( H )

13 SOMMAIRE B h ageu de la bande d hytééi i Couant de la ouce ( A ) i Couant de la chage ( A ) i c f i f K Couant injecté pa le filte Couant de éféence Contante du FM Tenion de la ouce ( ) F p ϕ h 1 Facteu de puiance Déphaage de l hamonique h I aleu efficace du couant fondamental ( A ) ϕ 1 h Déphaage du couant fondamental I aleu efficace du couant hamonique du ang h ( A ) h Rang d hamonique ( A) ( A) 3

14 INTRODUCTION GENERAE INTRODUCTION GENERAE e éeau électique et un aemblage de matéiel ayant pou ôle d achemine l électicité depui la ouce (centale) juqu aux utiliateu dan le meilleue condition économique et technique. énegie électique, pa a facilité d utiliation, de égulation et d automatiation, et devenue indipenable à la vie quotidienne. Ce denièe année, nou aiton à une augmentation an cee coiante de la demande de la puiance électique afin de éponde aux exigence indutielle et quotidienne. Cette augmentation et accompagnée pa le ique de pénuie de matièe foile et leu effet u le changement climatique et l'envionnement dénotent encoe une foi de l impotance de énegie enouvelable qui epéentent une olution impotante. Pami le nouvelle ouce d énegie, on touve l énegie éolienne qui fait l objet de ce tavail [1]. e développement et l exploitation de énegie enouvelable (olaie, éolienne, hydaulique, géothemique), en paticulie l énegie éolienne qui epéente une olution impotante et pouait mitige beaucoup de poblème gâce eentiellement à e impact inignifiant u l envionnement, et le fait que cette énegie et enouvelable et pouait contibue au développement dan le monde. Aini, la poduction d électicité pa de ouce d énegie enouvelable offe une gande ûeté d appoviionnement de conommateu tout en epectant l envionnement [, 3]. e éolienne ont aui équipée d un ytème de commande baé u le convetieu électonique pou adapte aux condition de vent. e ytème éolien et contôlé de manièe à maximie la puiance poduite en echechant en pemanence le point de fonctionnement à maximum de puiance [4]. utiliation coiante de dipoitif d électonique de puiance dan le ytème électique a entaîné de plu en plu de poblème lié aux petubation ou ditoion hamonique de éeaux électique. a ditoion hamonique et généée pa le chage non linéaie connectée au éeau et qui abobent de couant non inuoïdaux. Ce hamonique de couant vont à leu tou génée de tenion hamonique aux difféent point de connexion au éeau. Pou le aute équipement électique connecté en ce point, cette pollution hamonique a de effet nocif. Pami ce effet, on peut notamment cite la défomation de la tenion éeau au point de accodement alo que le ditibuteu d énegie et tenu de founi une tenion pope. Cette pollution peut également conduie à l échauffement de câble et de équipement électique ou bien encoe à l aêt oudain de machine tounante, voie même la detuction totale de tou ce équipement [5]. 4

15 INTRODUCTION GENERAE inetion de plu en plu coiante de éolienne a conduit le checheu en «Génie Electique» à mene de invetigation de façon à amélioe l'efficacité de la conveion électomécanique et la qualité de l'énegie founie. Dan ce cade, le péent mémoie décit une étude u l'utiliation de machine de type aynchone dan un ytème éolien pui le filtage paallèle à la péence de ce denie. objectif pincipal de ce tavail et de faie l analye et le filtage d un éeau électique avec une poduction éolienne. e pemie chapite et conacé à de notion théoique u l énegie éolienne. e difféent type et le zone de fonctionnement de l éolienne, uivi pa un appel u la conveion électomécanique à tave le difféent type de généatice utiliée et le convetieu aocié, ont décit. e difféente fome de tockage d énegie y eont aui péentée pou enviage de olution d aociation avec l éolienne. Une gande patie de éolienne intallée de no jou ont équipée de Machine Aynchone A Double Alimentation (MADA). Cette généatice pemet une poduction d électicité à vitee vaiable, ceci pemet alo de mieux exploite le eouce éolienne pou difféente condition du vent. Pou atteinde ce objectif, le econd chapite et conacé à la MADA, on pincipe de fonctionnement, e domaine d'utiliation aini que a modéliation dan le epèe biphaé (, ) lié au ynchonime à l aide de la tanfomation de PARK. Cette patie et validée pa de éultat de imulation obtenu ou envionnement Matlab/Simulink. e toiième chapite péente une tatégie de commande vectoielle en puiance active et éactive tatoique appliquée à la MADA. Il ea alo poible de donne de valeu de conigne indépendante pou la puiance active et la puiance éactive. Ceci pemetta de égle en pemanence la valeu de la puiance éactive que la machine va founi au éeau. Dan le quatième chapite, on dicutea le poblème de petubation hamonique. e oigine de cette pollution hamonique, le conéquence et le nome inhéente à ce petubation ont examinée. De olution eont popoée pou la dépollution hamonique et le difféente technique de commande exitante qui peuvent ête appliquée dan le filtage actif paallèle. Ce denie et une olution oiginale afin d élimine le hamonique de couant et aini limite leu popagation dan le éeau. Effectivement, le chage non linéaie, de plu en plu nombeue u le éeau électique, génèent de couant hamonique e popageant dan tout le éeau et petubant aini le aute chage où et connectée l éolienne. Ce tavail e temine pa une concluion généale et de pepective. 5

16 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Chapite 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS 1.1. Intoduction Ce denièe année, l intéêt d utiliation d énegie enouvelable ne cee d augmente, ca l ête humain et de plu en plu concené pa le poblème envionnementaux. Pami ce énegie, on touve l énegie éolienne. Cette denièe et à tanfome l énegie cinétique du vent en énegie électique. à encoe, de nombeux dipoitif exitent et, pou la plupat, il utilient de machine ynchone ou aynchone [6]. e 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. Dan ce chapite, on péente de notion théoique u l énegie éolienne, de difféent type d aéogénéateu (veticaux, hoizontaux, à vitee fixe et vitee vaiable), pui on pae à l état de l at de machine utiliée (généatice ynchone, aynchone à cage et aynchone à bague doublement alimentée avec e difféente configuation d alimentation), et on donne le avantage et le inconvénient de l énegie éolienne, en ajoutant un bef apeçu u le dipoitif de tockage de l énegie éolienne. 1.. Notion théoique u l énegie éolienne Aujoud hui, plu de 85% de l énegie poduite et obtenue à pati de matièe foile comme le pétole, le chabon, le gaz natuel ou de l énegie nucléaie. a figue 1.1 monte la épatition en teme d énegie pimaie dan le monde pou toute le eouce actuelle. e fome de poduction d énegie non enouvelable engendent une fote pollution envionnementale pa ejet de gaz à effet de ee qui povoque un changement climatique iéveible ou dan le ca du nucléaie une pollution pa adiation de longue duée qui poe le poblème, aujoud hui non éolu, du tockage de déchet adioactif [7]. Dan le couant de 1 ème iècle, le payage énegétique va adicalement change ca pluieu eouce foile iquent de dipaaîte. De nouvelle eouce aociée à de technologie pefomante et fiable ont indipenable pou tente de mainteni le niveau de la poduction énegétique mondiale. 6

17 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Pétole, 34% Gaz Natuel 1% Nucliaie 7% Chabon 4% Enegie enouvelable 14% Figue 1-1.Répatition de ouce pimaie d énegie dan le monde Il exite pluieu eouce d énegie enouvelable : l'énegie hydaulique, l'énegie éolienne, l'énegie olaie, la géothemie et la biomae. Ce eouce d énegie ont patiquement inépuiable et pope [7] Difféente patie d un aéogénéateu Une éolienne et compoée de pluieu élément péent u la figue 1.. Figue 1-.Elément contitutif d une éolienne Un mat, ou tou, uppote la nacelle et la tubine. Il et impotant qu il oit haut du fait de l augmentation de la vitee du vent avec la hauteu et aui du diamète de pale. a nacelle avec une amatue métallique accueille la généatice et on ytème de efoidiement, le multiplicateu de vitee et difféent équipement électonique de contôle qui pemettent de commande le difféent mécanime d oientation aini que le fonctionnement global de l éolienne. e multiplicateu de vitee compote un abe lent uppotant un abe apide et la tubine. Cette denièe poède toi pale qui pemettent de capte l énegie du vent et de la tanfée à l abe 7

18 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS lent. Un ytème électomécanique pemet généalement d oiente le pale et de égule la vitee de otation de la tubine. e pale founient également un fein aéodynamique pa «mie en dapeau» ou eulement pa otation de leu extémité. Un anémomète et une giouette, itué u le toit de la nacelle, founient le donnée néceaie au ytème de contôle pou oiente l éolienne et la déclenche ou l aête elon la vitee du vent [8] Difféent type d éolienne e éolienne e divient en deux gande famille elon la dipoition géométique de l'abe u lequel et montée l'hélice: Eolienne à axe hoizontal Ce ont le éolienne le plu utiliée et ont dotée d un ytème de commande où la conception oiente le oto face au vent. Une tubine à axe hoizontal demeue face au vent, comme le hélice de avion et de moulin à vent. Elle et fixée au ommet d une tou, ce qui lui pemet de capte une quantité plu impotante d énegie éolienne. e éolienne à axe hoizontal ont le plu employée ca leu endement aéodynamique et upéieu à celui de éolienne à axe vetical. Elle ont moin expoée aux containte mécanique et ont un coût moin impotant. Selon on nombe de pale, une éolienne à axe hoizontal et dite monopale, bipale, tipale ou multipale. e plu ouvent le oto de ce éolienne et tipale, ca toi pale contituent un bon compomi ente le coefficient de puiance, le coût et la vitee de otation du capteu éolien aini que l'apect ethétique pa appot aux aute type. Suivant leu oientation en fonction du vent, le éolienne à axe hoizontal ont dite en «amont» (upwind) ou en «aval» (downwind), la figue 1.3 monte ce deux type, celle en amont et lagement pédominante [1]. Figue 1-3.Tubine éolienne en amont et en aval Eolienne à axe vetical Elle ont le moin utiliée, à caue de leu manque de pefomance pa appot à la pécédente. axe de otation de ce type et vetical pa appot au ol et pependiculaie à la diection du vent. Ce 8

19 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS type de tubine peut ecevoi le vent de n impote quelle diection, ce qui end inutile tout dipoitif d oientation. e généateu et dipoé au niveau du ol, ce qui et plu imple et donc économique. a maintenance du ytème et également implifiée dan la meue où elle e fait au ol. Ce tubine ne dipoent pa de commande d angle de pale comme la pécédente. a figue 1.4 monte toi conception d une éolienne à axe vetical. e faible endement aéodynamique et la quantité du vent éduite qu elle eçoivent au niveau du ol contituent le pincipaux handicap de ce type face à l aute type [1, 7]. Figue 1-4.Tubine à axe vetical 1.5. Zone de fonctionnement de l éolienne e objectif de la égulation ont d aue la écuité de l éolienne pa vent fot et de limite la puiance. Donc, il exite pou la puiance éolienne nominale P n une vitee du vent nominale pou laquelle l aéogénéateu et bien dimenionné. oque la vitee du vent et upéieue à n, la tubine éolienne doit modifie e paamète afin d évite toute detuction mécanique, de ote que a vitee de otation ete patiquement contante. A côté de la vitee nominale n, on pécifie aui : la vitee de démaage, d à pati de laquelle l'éolienne commence à founi de l'énegie ; la vitee maximale du vent, max pou de aion de ûeté de fonctionnement., pou laquelle la tubine ne convetit plu l'énegie éolienne, e vitee n, d et max définient quate zone u le diagamme de la puiance utile en fonction de la vitee du vent (Figue 1.5) : a zone I, où P = 0, la vitee du vent et top faible, la tubine peut toune mai l énegie à capte et top faible ; a zone II, le maximum de puiance et capté dan cette zone pou chaque vitee de vent; 9

20 Enegie Réeau CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS a zone III, où la vitee de otation et maintenue contante et où la puiance P founie ete égale à P n ; a zone I, la vitee du vent devient top fote, la tubine et aêtée et la puiance extaite et nulle [9, 10]. P t P tn I II III I d n max Figue 1-5.Puiance utile u l abe en fonction de la vitee du vent 1.6. Poduction optimale de l énegie On peut clae le éolienne en deux catégoie uivant le mode de fonctionnement : de éolienne fonctionnant à vitee fixe et celle fonctionnant à vitee vaiable Fonctionnement à vitee fixe e éolienne à vitee fixe ont le pemièe qui ont été développée. Dan cette technologie, la généatice aynchone et diectement couplée au éeau, donc a vitee et impoée pa la féquence du éeau et pa le nombe de pai de pôle de la généatice utiliée (Figue 1.6) [11]. MAS Figue 1-6.Eolienne à vitee fixe e couple mécanique entainant (poduit pa la tubine) tend à accélée la vitee de la généatice. Cette denièe fonctionne alo en hypeynchone et founit la puiance électique au éeau. On peut 10

21 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS ditingue deux technologie d éolienne à vitee fixe : e éolienne à décochage aéodynamique et le éolienne à pale oientable [1] Eolienne à décochage aéodynamique C et un égulateu pa décochage aéodynamique ; autement dit, le compotement géométique de pale peut évolue elon le appot ente le deux vitee du vent et de la tubine, ce qui pemet le décochage à pati d une cetaine vitee du vent. Ce décochage dépend notamment de l angle de calage de pale qui peuvent ête fabiquée avec un pa vaiable uivant la poition le long de la pale et poèdent aui un mécanime de feinage en bout. Cette technique du "Stall Contol" a aui quelque avantage [9] : Pa de ytème de contôle d angle de calage ; Contuction plu imple et moin coûteue du oto ; Maintenance plu aiée et fiabilité meilleue. Pou le machine de fote puiance, on touve également le ytème "Stall actif". e décochage aéodynamique et alo obtenu pogeivement gâce à un dipoitif pemettant un débattement de pale conte le vent. oientation de pale étant tè éduite, le dipoitif mécanique et technologiquement plu imple et moin coûteux que le ytème à oientation de pale qui et maintenant péenté [13] Eolienne à pale oientable C et un contôle pa vaiation de l angle de calage de pale (pa de pale) autou de leu axe longitudinal en fonction de la vitee du vent et de la puiance active à extaie. utiliation d un ytème d oientation de pale pemet, pa une modification aéodynamique, de mainteni contante la puiance de la machine en fonction de la vitee du vent. e fonctionnement à vitee fixe poède le caactéitique uivante : Sytème électique plu imple ; Plu gande fiabilité ; Peu de pobabilité d excitation de féquence de éonance de élément de l éolienne ; Pa beoin de ytème électonique de commande ; Moin che [9, 13]. 11

22 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Fonctionnement à vitee vaiable Pou gaanti un captage maximal de l énegie incidente et d amélioe le endement et la qualité de la conveion de l énegie, il faut ajute en pemanence la vitee de l éolienne à la vitee du vent. optimiation de la puiance dan la chage ou le éeau écepteu peut effectue pa de commande u la tubine, u la patie électotechnique (généateu électique lui-même et/ou paamète de commande du convetieu d'électonique de puiance) (Figue 1.7). e fonctionnement à vitee vaiable demande la définition d une tatégie de commande globale de la tubine. Il faut donc indique le vaiation de la vitee de otation, couple ou puiance ouhaitée en fonction de vaiation de la vitee du vent [11]. Enegie Redeeu Onduleu Réeau MAS Figue 1-7.Eolienne à vitee vaiable e fonctionnement à vitee vaiable et caactéié pa : Augmentation du endement énegétique ; Réduction de ocillation du couple dan le tain de puiance ; Réduction de effot ubi pa le tain de puiance ; Généation d une puiance d une meilleue qualité [9] Machine utiliée dan le ytème éolien a conveion de l énegie cinétique en énegie électique e fait en deux étape : au niveau de la tubine (oto), qui extait une patie de l énegie cinétique du vent diponible pou la conveti en énegie mécanique pui au niveau de la généatice, qui eçoit l énegie mécanique et la convetit en énegie électique. a plupat de généatice utiliée dan le éolienne ont de généatice aynchone tiphaée. Celle-ci ont pluieu avantage à avoi ; obute, faible coût et mécaniquement imple. e choix du type d aéogénéateu dépend de pluieu citèe à avoi : e niveau de puiance à founi au éeau ou à la chage ; 1

23 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS implantation u tee feme (Onhoe) ou en me (Offhoe) ; Et pincipalement la conveion au éeau électique ou non (mode autonome)[9]. e généateu, habituellement enconté dan le éolienne, ont péenté dan le paagaphe uivant : Sytème utiliant la machine ynchone Ce ytème ont utilié dan la plupat de pocédé taditionnel de poduction de l électicité, notamment dan ceux de tè gande puiance (centale themique, hydaulique ou nucléaie). e généateu ynchone utilié dan le domaine éolien, ceux de 500 kw à MW ont bien plu che que le généateu à induction de la même taille. De plu, loque ce type de machine et diectement connecté au éeau, a vitee de otation et fixe et popotionnelle à la féquence du éeau. En conéquence de cette gande igidité de la connexion généateu-éeau, le fluctuation du couple capté pa l aéogénéateu e popagent juqu à la puiance électique poduite. C et pouquoi, le machine ynchone ne ont pa utiliée dan le aéogénéateu diectement connecté au éeau. Elle ont pa conte utiliée loqu elle ont connectée au éeau pa l intemédiaie de convetieu de puiance (Figue 1.8). Enegie Redeeu Onduleu Réeau Machine ynchone Figue 1-8.Sytème éolien à bae d une machine ynchone et un convetieu électonique Dan cette configuation, la féquence du éeau et la vitee de otation de la machine ont découplée. Cette vitee peut pa conéquent vaie de ote à optimie le endement aéodynamique de l éolienne et amoti le fluctuation du couple. Cetaine vaiante de machine ynchone peuvent fonctionne à faible vitee de otation et donc ête diectement couplée à l aéo-tubine. Elle pemettent aini de e pae du multiplicateu de vitee qui demande un tavail auxiliaie de maintenance. 13

24 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Sytème utiliant la machine aynchone a machine aynchone équipe actuellement une gande patie du pac éolien. Elle a l avantage d'ête obute et de faible coût Machine aynchone à cage d écueuil e machine électique aynchone à cage ont le plu imple à fabique. Elle ont le moin exigeante en teme d entetien et péentent un taux de défaillance tè peu élevé. a connexion diecte au éeau de ce type de machine et plu douce gâce à la vaiation du gliement e poduiant ente le flux du tato et la vitee de otation du oto. a implicité de la configuation de ce ytème pemet de limite la maintenance de la machine. Son pincipal inconvénient et d une pat l impoibilité de fonctionnement à vitee vaiable, ce qui éduit la puiance pouvant ête puiée du vent et d aute pat le poblème d accochage/décochage au éeau [14]. inetion en paallèle de condenateu avec le enoulement tatoique (Figue 1.9), pemet de magnétie la machine duant a poduction de l énegie. Enegie Réeau Machine Aynchone Figue 1-9.Machine aynchone avec liaion diecte au éeau Machine aynchone connectée au éeau pa l intemédiaie d une inteface d électonique de puiance e dipoitif de bae et epéenté u la figue Cette configuation autoie un fonctionnement de l éolienne à une vitee vaiable du vent. En effet, quelle que oit la vitee de otation de la machine, la tenion poduite et edeée et tanfomée en tenion continue. e fonctionnement de l'onduleu et alo claique et une commande adéquate pemet de délive une tenion altenative de féquence fixe coepondant à celle du éeau avec un facteu de puiance unitaie. a puiance nominale de la généatice détemine alo la puiance maximale que peut founi l'éolienne. e convetieu utilié ont dimenionné pou la totalité de cette puiance échangée ente la machine et le éeau. Il 14

25 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS epéentent donc un coût impotant, de pete non négligeable et entaînent de petubation qui nuient au endement et à la qualité de l'énegie délivée [14] Machine aynchone à double alimentation type oto bobiné Ce type d aéogénéateu et développé écemment ca la double alimentation de machine aynchone pemet une meilleue exploitation du potentiel de l éolienne [15]. e tato et diectement elié au éeau et le gandeu otoique ont commandée pa un convetieu tatique (Figue 1.11). a MADA à oto bobiné péente un tato tiphaé identique à celui de machine aynchone claique et un oto contenant également un bobinage tiphaé acceible pa toi bague munie de contact gliant. eu obutee et légèement diminuée pa la péence de ytème à bague et balai, mai le bénéfice du fonctionnement à vitee vaiable et un avantage uffiant pou que de tè nombeux fabicant utilient ce type de machine [16]. Ce machine ont un peu plu complexe que de machine aynchone à cage. Enegie Redeeu Onduleu Réeau MAS Figue 1-10.Machine aynchone connectée au éeau pa l intemédiaie d un edeeu-onduleu Tanfomateu Réeau MADA Onduleu Onduleu Enegie Figue 1-11.Machine aynchone à oto bobiné 15

26 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS a. Stuctue à énegie otoique diipée Cette configuation à vitee vaiable et epéentée u la figue 1.1. e tato et connecté diectement au éeau et le oto et connecté à un edeeu. Une chage éitive et alo placée en otie du edeeu pa l'intemédiaie d'un hacheu à IGBT ou GTO [17]. e contôle de l IGBT pemet de faie vaie l'énegie diipée pa le bobinage otoique et de fonctionne à vitee vaiable en etant dan la patie table de la caactéitique couple/vitee de la machine aynchone. e gliement et aini modifié en fonction de la vitee de otation de la machine. Enegie Réeau MADA Redeeu R Enegie Figue 1-1.MADA avec contôle de gliement pa l énegie diipée Si le gliement devient impotant, la puiance extaite du oto et élevée et elle et entièement diipée dan la éitance R, ce qui nuit au endement du ytème. De plu, cela augmente la puiance tanitant dan le convetieu aini que la taille de la éitance [17]. b. Stuctue de KRAMER Cette tuctue et appelée tuctue à bae de pont à diode et pont à thyito. e tenion ente bague ont edeée pa un pont à diode. Un onduleu à thyito applique à ce edeeu une tenion qui vaie pa action u l angle d amoçage de thyito. Ce dipoitif pemet de faie vaie la plage de conduction de diode, de ende vaiable la puiance extaite du cicuit otoique et donc le gliement de la généatice aynchone (Figue 1.13) [18]. e pincipal avantage et que l onduleu et aez claique, et moin coûteux, puiqu il agit d un onduleu non autonome dont le commutation ont auée pa le éeau. 16

27 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS Enegie Tanfomateu Réeau MADA Redeeu Onduleu Enegie Figue 1-13.Stuctue de KRAMER pou la MADA c. Stuctue de SCHERBIUS avec cycloconvetieu aociation edeeu-onduleu peut ête emplacée pa un cycloconvetieu afin d'autoie un flux d'énegie bidiectionnel ente le oto et le éeau (Figue 1.14). 'enemble et alo appelé : tuctue de SCHERBIUS [16]. Ce montage et aui connu ou la dénomination "topologie tatique de SCHERBIUS". Fomellement, le pincipe de SCHERBIUS et baé u l utiliation de la machine tounante au lieu de convetieu de puiance. Tanfomateu Enegie Réeau Enegie Cycloconvetieu MADA Figue 1-14.Stuctue de SCHERBIUS avec cycloconvetieu. Dan cette configuation, le pincipe de SCHERBIUS et epoduit à l aide d un cycloconvetieu. Son utiliation génèe pa conéquent de petubation hamonique impotante qui nuient au facteu de puiance du dipoitif. e pogè de l électonique de puiance ont conduit au emplacement du cycloconvetieu pa une tuctue à deux convetieu à IGBT commandé en MI [16]. 17

28 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS d. Stuctue de SCHERBIUS avec convetieu MI Une aute tuctue intéeante (Figue 1.15) utilie deux pont tiphaé d IGBT commandable à l ouvetue et à la femetue et leu féquence de commutation et plu élevée que celle de GTO. utiliation de ce type de convetieu pemet d obteni de allue de ignaux de otie en modulation de lageu d impulion, dont la modulaité pemet de limite le petubation en modifiant le pecte féquentiel du ignal [16]. Ce choix pemet un contôle du flux et de la vitee de otation de la généatice aynchone du côté de la machine et un contôle de puiance active et éactive tanitée du côté éeau. Cette configuation héite de même caactéitique que la tuctue pécédente. a puiance otoique et bidiectionnelle. a bidiectionnalité du convetieu otoique autoie le fonctionnement hype et hypo ynchone et le contôle du facteu de puiance côté éeau. Il et à note cependant que le fonctionnement en MI de l onduleu du côté éeau pemet un pélèvement de couant de meilleue qualité [16]. Enegie Tanfomateu Réeau MADA Onduleu Onduleu Enegie Figue 1-15.Stuctue de SCHERBIUS avec convetieu MI. C et pou cette aion que nou nou omme paticulièement intéeé à cette denièe configuation de la généatice aynchone à double alimentation à caue de e bonne caactéitique intinèque telle que : e fonctionnement à vitee vaiable ; e convetieu de puiance de petite dimenion ; e niveau ba de fluctuation mécanique ; a poibilité de fonctionnement en hypo et hypeynchonime, ce qui pemet de poduie de l énegie du tato ve le éeau et aui du oto ve le éeau ; e contôle imultané de la puiance active et éactive. 18

29 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS 1.8. Avantage et inconvénient de l énegie éolienne énegie éolienne a de avantage pope pemettant a coiance et on évolution ente le aute ouce d énegie, ce qui va lui donne un ôle impotant dan l aveni à condition d évite l impact céé pa e inconvénient cité ci-apè Avantage énegie éolienne et une énegie enouvelable, contaiement aux aute énegie foile, le généation futue pouont toujou en bénéficie ; Enegie non polluante ; énegie éolienne n et pa une énegie à ique comme l énegie nucléaie et ne poduit pa de déchet ; exploitation de l énegie éolienne n et pa un pocédé continu, on peut facilement l aête, contaiement aux aute pocédé continu themique ou nucléaie ; C et une ouce d énegie locale, pemettant de minimie le pete en ligne tanpoteue ve le lieux généalement tè poche ; C et l énegie la moin chèe ente le énegie enouvelable [19] ; énegie éolienne cée plu d emploi pa unité d électicité poduite ; e pac éolien peuvent ête intallé u de tee agicole et e démontent tè facilement ; a péiode de haute poductivité e itue en hive, ce qui coepond à la péiode de l année où la demande en électicité et plu fote ; Cette ouce d énegie et également tè intéeante pou le pay en voie de développement. Elle épond au beoin ugent d énegie qu ont ce pay pou e développe. intallation d un pac ou d une tubine éolienne et elativement imple ; Enfin, ce type d énegie et facilement intégé dan un ytème électique exitant déjà [9] Inconvénient Même il ne ont pa nombeux, l éolien a quelque inconvénient qu il faut cite : e buit aéodynamique lié à la vitee de otation du oto ; impact u le pacou migatoie de oieaux et l impact viuel ; a qualité tochatique de la puiance électique à caue du vent aléatoie qui povoque l intabilité de la poduction ; 19

30 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES SYSTEMES EOIENS a petubation de la éception de onde hetzienne, ce qui povoque la ditoion de image téléviée [10] ; C et une ouce couteue à endement faible dan le ite moin venté [9] Dipoitif de tockage de l énegie éolienne Une caactéitique eentielle du vent étant la dicontinuité dan le temp, un cetain nombe d étude ont eu pou objet d étudie ou de mette au point de ytème pemettant de tocke l énegie poduite pa le vent et non utiliée diectement pendant le péiode de poduction afin d en etitue une patie, aui gande que poible, pendant le péiode de calme. Il exite difféente poibilité de tockage : Pou la poduction d électicité, le ytème de loin le plu utilié et celui pa batteie d accumulateu. Celle au plomb, bien que loude et encombante, accommodent bien de fluctuation pope au vent. e aute type ont mal adapté. Toutefoi, ce type de tockage ne convient que pou de petite puiance de quelque kw tout au plu. Pou le tockage impotant, on peut faie appel au pompage de l eau ente deux éevoi et une tubine i le teain founit une poibilité intéeante en dénivelé. e imple pompage de l eau dan un éevoi et aui la olution pou tocke de l eau dan le ca, pa exemple, de ditibution d eau alimentaie [18] Concluion Dan ce chapite, on a péenté un appel de notion néceaie à la compéhenion du ytème de conveion de l'énegie éolienne, difféent type d'éolienne et leu mode de fonctionnement ont été décit. Apè ce appel et deciptif de notion élémentaie, on et paé à la conveion électomécanique où on a péenté et évalué le difféente configuation électique qui ont utiliée dan le domaine éolien. 'évaluation a été faite u la bae de pincipale exigence d'un ytème de conveion d'énegie éolienne. Apè une étude compaative, on peut die que la généatice la plu intéeante et la MADA à caue de e caactéitique intinèque telle que le fonctionnement à vitee vaiable, un convetieu de puiance de petite dimenion, un niveau ba de te mécanique et enfin le contôle imultané de la puiance active et éactive. e chapite uivant ea conacé à l étude et la modéliation du ytème de conveion éolienne. 0

31 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Chapite 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE.1. Intoduction a modéliation d un ytème quelconque et indipenable pou l étude et la maitie de on fonctionnement et loqu on ouhaite lui applique une commande paticulièe. D aute pat, elle et une phae pimodiale dan le développement de la conception de ytème. e pogè de l infomatique et du génie de logiciel pemettent de éalie de modéliation pefomante et d enviage l optimiation de la conception. étude et la modéliation de ytème péentent un gand intéêt en aion de impéatif technique et économique et conduient à concevoi et à exploite le matéiel au voiinage de limite technologique [9]. On péentea dan ce chapite la modéliation du ytème éolien, contitué d une tubine et on convetieu mécanique et la machine aynchone à double alimentation... Modéliation du ytème éolien à vitee vaiable baé u une MADA..1. Deciption du ytème éolien e ytème éolien à vitee vaiable étudié dan ce mémoie, baé u une MADA, et illuté à la figue.1. a tubine, via un multiplicateu, entaine la MADA, laquelle et accodée au éeau électique diectement pa le tato mai également à tave de convetieu tatique tiphaé à IGBT (Inulated Gate Bipola Tanito) pa le oto. Celui.ci et muni de ytème bague/balai. Ce convetieu côté MADA et éeaux, ont commandé en Modulation de ageu d Impulion (MI) [7, 0]. On pocède maintenant à étudie la tanfomation de l énegie cinétique du vent en énegie électique en modéliant le difféent élément de la chaîne de conveion électomécanique de l éolienne. 1

32 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Enegie Tanfomateu Réeau MADA Enegie Figue -1.Sytème éolien à vitee vaiable baé u une MADA... Modéliation du ytème éolien e chéma de l éolienne baée u une MADA connectée au éeau, incluant le difféente gandeu mécanique et électique evant à la modéliation de la chaîne de conveion électomécanique, et illuté à la figue.. Dan un pemie temp, on péente le modèle aéodynamique de la tubine, pui le modèle mécanique de l éolienne. Enuite, on décit la tanfomation de l énegie mécanique en énegie électique. e fonctionnement de la MADA ea alo uccinctement décit, pui la MADA ea modéliée dan le epèe de PARK. Pou fini, la connexion du convetieu au éeau électique via le filte R ea également modéliée dan le epèe de PARK [0]. Enegie Réeau MADA Enegie Figue -.Eolienne baée u une MADA connectée au éeau

33 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE...1. Modèle de la tubine éolienne a. Modèle aéodynamique e vent de vitee v, appliqué u le pale de l éolienne, entaine a mie en otation et cée une puiance mécanique u l abe de la tubine, notée P t, expimant pa [0] : Où λ et défini pa : 1 3 P = C ( λ, β t p ) ρsv (.1) Ω R t λ = (.) v Avec : λ : a vitee elative epéentant le appot ente la vitee linéaie à l extémité de pale de l éolienne et la vitee du vent ; ρ : a mae volumique de l ai (appoximativement 1,5 kg/m 3 à la peion atmophéique et à 15 C) ; S : a uface ciculaie balayée pa la tubine, le ayon du cecle décit étant défini pa la longueu d une pale ; Ω t : a vitee de otation de la tubine ; R : e ayon de l aéogénéateu ou la longueu d une pale. e coefficient de puiance C epéente le endement aéodynamique de la tubine éolienne et p dépend également de la caactéitique de la tubine. Ce coefficient péente une limite théoique, appelée limite de BETZ (voi l annexe A). C C 5 C = f ( λ, β ) = C C β C exp C λ p + λ λ i i (.3) Avec : C = 0,5176; C = 116; C = 0,4; C = 5; C = 1; C = 0, ,035 = λ λ + β β + i 3 0,08 1 (.4) Connaiant la vitee de otation de la tubine, le couple mécanique tubine peut donc expime pa [1, 1] : C t diponible u l abe lent de la C t P π t = = ρ Ω λ 3 R v C p ( λ, β ) (.5) 3

34 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE b. Modèle de la patie mécanique a patie mécanique de la tubine compend toi pale oientable et de longueu R. Elle ont fixée u un abe d entainement tounant à une vitee de otation Ω t, elié à un multiplicateu de gaing. Ce multiplicateu entaîne la généatice électique. e toi pale ont conidéée identique. De plu, on conidèe une épatition unifome de la vitee du vent u toute le pale et donc une égalité de toute le foce de pouée. e multiplicateu adapte la vitee de otation de la tubine (abe lent) à la vitee de otation de la MADA (abe apide) (Figue.3) [0]. Figue -3.Modèle mécanique de la tubine éolienne En conidéant que le multiplicateu et idéal, c'et-à-die que le pete mécanique ont négligeable, il et alo modélié pa le deux équation uivante : C C = t m G (.6) Ω = G Ω (.7) m t D apè la figue.3, l équation fondamentale de la dynamique du ytème mécanique u l abe mécanique de la MADA peut écie comme uit : J G t dω dt m + J m + f v. Ω m = C m C em (.8) Avec : J t : e moment d inetie de la tubine équivalent aux inetie de toi pale de l éolienne ; J m : e moment d inetie de la MADA ; f v : e coefficient dû aux fottement viqueux de la MADA ; C m : e couple mécanique u l abe de la MADA ; 4

35 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Ω m : a vitee de otation de la MADA ; C em: e couple électomagnétique de la MADA. e chéma ynoptique du modèle dynamique de la tubine baé u ce équation, et donné pa la figue.4 : Figue -4.Schéma bloc du modèle de la tubine.3. Fonctionnement et modéliation de la MADA.3.1. Deciption de la machine Elle a une dynamique tè complexe à caue de inteaction tato-oto, ce qui end la modéliation baée u l élaboation de chéma équivalent déivé de la théoie du champ tounant inuffiante pou décie on compotement dynamique..3.. Stuctue de la machine a MADA et une machine tiphaée à couant altenatif alimentée pa e deux amatue. Elle a connue depui 1899 [,18]. Son tato et identique à celui de la machine aynchone à cage d écueuil (MAS) ou d une machine ynchone (MS) et on oto e diffèe adicalement puiqu il n et pa compoé d aimant ou d une cage d écueuil mai d enoulement tiphaé dipoé de la même manièe que le enoulement tatoique (Figue.5) [9]. θ = (A, a) A Axe otoique a Axe tatoique c B b C Figue -5.Repéentation chématique d une MADA. 5

36 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Cette machine peut fonctionne comme généateu ou moteu. e tato de la MADA et connecté diectement au éeau et le oto et connecté à un onduleu comme monte la figue.6. e le éeau e l onduleu Roto Figue -6.MADA connectée à deux éeaux tiphaé.3.3. Mode de fonctionnement Comme la machine aynchone claique, la MADA pemet de fonctionne en moteu ou en généateu mai la gande difféence éide dan le fait que pou la MADA, ce n et plu la vitee de otation qui impoe le mode de fonctionnement moteu ou généateu. Effectivement, une machine à cage doit toune en deou de a vitee de ynchonime pou ête en moteu et au-deu pou ête en généateu. Ici, c et la commande de tenion otoique qui pemet de gée le champ magnétique à l intéieu de la machine, offant aini la poibilité de fonctionne en hype ou hypo ynchone aui bien en mode moteu qu en mode généateu. On va péente ucceivement ce difféèent mode de fonctionnement [15]. e difféente mode de fonctionnent de la MADA dont le tato et elié diectement au éeau et dont le oto et elié à ce denie pa l intemédiaie d un convetieu électonique (altenatif/altenatif) ont : Fonctionnement en mode moteu hypo ynchone ; Fonctionnement en mode moteu hype ynchone ; Fonctionnement en mode généateu hypo ynchone ; Fonctionnement en mode généateu hype ynchone Fonctionnement en mode moteu hypo ynchone a figue.7 monte que la puiance et founie pa le éeau au tato et la puiance de gliement tanite pa le oto pou ête éinjectée au éeau. On a donc un fonctionnement en mode moteu en deou de la vitee de ynchonime. 6

37 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Figue -7.Fonctionnement en mode moteu hypo ynchone Fonctionnement en mode moteu hype ynchone a figue.8 monte que la puiance et founie pa le éeau au tato et la puiance de gliement et également founie pa le éeau au oto. On a alo un fonctionnement en mode moteu en deu de la vitee de ynchonime. Figue -8.Fonctionnement en mode moteu hype ynchone Fonctionnement en mode généateu hypo ynchone a figue.9 monte que la puiance et founie au éeau pa le tato et la puiance de gliement et éabobée pa le oto. On a de ce fait un fonctionnement en mode moteu en deou de la vitee de ynchonime. Figue -9.Fonctionnement en mode généateu hypo ynchone 7

38 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Fonctionnement en mode généateu hype ynchone a figue.10 monte que la puiance et alo founie au éeau pa le tato et la puiance de gliement et écupéée via le oto pou ête éinjectée au éeau. On a aini un fonctionnement généateu au-deu de la vitee de ynchonime [3]. Figue -10.Fonctionnement en mode généateu hype ynchone.3.4. Alimentation de la MADA Pou la tuctue de commande, il faut intége un onduleu de tenion au niveau de bobine du oto. Ce denie, qui et contôlé pa une technique de modulation de lage impulion (MI), pemet le églage imultanément de la féquence et la tenion. objectif d'utiliation de la commande MI et de éduie ou de minimie le ocillation u la vitee, le couple et le couant [18] Commande de la MADA pa un eul onduleu C et la tatégie la plu imple et la plu utiliée dan le application indutielle. Cette tuctue et illutée pa la figue.11: Figue -11.MADA commandée pa un eul convetieu alimentant le oto. Dan cette tuctue de commande, la MADA et alimentée à on tato pa le éeau, tandi que le oto et alimenté à tave un ytème de conveion qui compote un edeeu, un filte et un onduleu. Cette tuctue et appelée aui la cacade hypo ynchone. Elle pemet de contôle la puiance active et éactive tatoique à la foi en égime pemanent et tanitoie [4]. Dan ce ca, la 8

39 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE machine peut fonctionne en moteu ou généateu, mai l application la plu couante et l utiliation dan le ytème de poduction d énegie électique notamment le ytème éolien et hydaulique. On va bae l étude u cette configuation Commande de la MADA pa deux onduleu Cette tuctue de commande conite en une MADA alimentée pa deux onduleu, l un au tato et l aute au oto. Elle peut pende deux fome équivalente [4, 5, 6] : Deux onduleu alimenté pa leu pope edeeu. Dan ce ca c et le éeau qui et la ouce du couplage électique exitant ente le deux côté. Deux onduleu alimenté en paallèle pa un edeeu commun, ce denie et donc une ouce d alimentation commune aux deux côté. a pemièe fome de cette tatégie de commande et illutée pa la figue.1. Figue -1.MADA commandée pa deux onduleu alimenté à tave deux edeeu. Cette tuctue et évidemment la tuctue la plu généale du ytème. e deux edeeu ont une ouce d alimentation commune qui et le éeau tiphaé [4] Commande de la MADA pa un edeeu alimentant deux onduleu en paallèle Sa tuctue et emblable à la pécédente, auf que le onduleu ont alimenté pa un eul edeeu. Cette tuctue et epéentée pa la figue.13. Ce deux tuctue de commande ont utiliée généalement dan le fonctionnement en moteu, pou le application de taction électique [4]. Figue -13.Commande de la MADA pa deux onduleu alimenté à tave un edeeu commun 9

40 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE.3.5. Modéliation de la machine aynchone à double alimentation De façon à epéente au mieux le compotement d'une MADA en imulation, il et néceaie de faie appel à un modèle péci mai uffiamment imple pou que le temp de calcul du imulateu ne oient pa pohibitif Hypothèe implificatice a modéliation de la MADA et établie ou le hypothèe implificatice uivante : a atuation du cicuit magnétique, l hytééi et le couant de Foucault ont négligeable. e éitance de enoulement ne vaient pa avec la tempéatue. a f.m.m céée pa chacune de phae de deux amatue et uppoée inuoïdale. Pami le conéquence impotante de ce hypothèe, on peut cite : additive de flux. a contance de inductance pope. a loi de vaiation inuoïdale de inductance mutuelle ente le enoulement du tato et du oto en fonction de l angle électique de leu axe magnétique [18] Modèle mathématique de la MADA En penant en compte le hypothèe implificatice citée pécédemment, on peut expime le modèle de cette machine en e baant u le elation uivante : Gandeu tatoique [ v v v ] T [ ] = a b c T [ I ] = [ iaibic ] [ ϕ ] = [ ϕ aϕbϕc ] T (.9) Gandeu otoique [ v v v ] T [ ] = a b c T [ I ] = [ iaibic ] [ ϕ ] = [ ϕaϕbϕc ] T (.10) e équation de tenion tatoique et otoique : 30

41 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE d [ φ ] [ ] = [ R ][ I ] + dt d [ φ ] [ ] [ ][ ] = R I + dt (.11), : e tenion tatoique et otoique ; I, I : e couant tatoique et otoique ; φ, φ : e flux tatoique et otoique epectivement ; R, R : e éitance pa phae tatoique et otoique. e flux tatoique et otoique en fonction de couant, de inductance pope et de inductance mutuelle, ont expimé pa le équation uivante : [ φ ] = [ ][ I ] + [ M ][ I ] + [ M ][ I ] [ φ ] = [ ][ I ] + [ M ][ I ] + [ M ][ I ] (.1) Où : [ R ], [ R ] : ont le matice de éitance tatoique et otoique ; [ ], [ ]: ont le matice de inductance pope tatoique et otoique ; [ M ], [ M ]: ont le matice de inductance mutuelle ente le tato et le oto ; [ M ], [ M ]: ont le matice de inductance mutuelle tatoique-tatoique et otoique-otoique ; Avec : [ R ] = R[ ID] = R [ ID] [ R ] [ ] = [ ID] = [ ID] [ ] 3*3 3*3 3*3 3*3 (.13) (.14) 0 co(π / 3) co(π / 3) [ M = ] M co(π / 3) 0 co(π / 3) ( ) (.15) co(π / 3) co π / 3 0 [ M ] = M co co 0 co( π / 3) co( π / 3) ( π / 3) 0 co( π / 3) ( ) ( ) π / 3 co π / 3 0 (.16) 31

42 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE co( θ ) co( θ π / 3) co( θ 4π / 3) ( θ 4π / 3) co( θ ) co( θ π / 3) ( ) ( ) ( ) θ π / 3 co θ 4π / 3 co θ [ M ] = M co (.17) co co( θ ) co( θ 4π / 3) co( θ π / 3) ( θ π / 3) co( θ ) co( θ 4π / 3) ( ) ( ) ( ) θ 4π / 3 co θ π / 3 co θ [ M ] = M co (.18) co Où : [ID] 3*3 : Et la matice identité d ode 3 ; R, R : ont le éitance tatoique et otoique pa phae ;, : ont le inductance tatoique et otoique pa phae ; [ M ], [ M ] : ont le maximum de inductance mutuelle ente deux phae tatoique et ente deux phae otoique epectivement à axe confondu ; M : et le maximum de l inductance mutuelle ente une phae tatoique et une phae otoique pou θ = Modèle de la MADA dan le epèe de PARK Apè établiement du modèle électomagnétique de la machine dan le epèe tiphaé en tenant compte de hypothèe implificatice, on peut note a complexité, ce qui nou oblige à faie appel à de modèle plu imple dan de epèe à nombe d axe éduit pemettant facilement la taduction mathématique de la machine. Pami ce modèle, on cite celui le plu utilié dit modèle de PARK. Ce modèle a la poibilité de faie une tanfomation d un ytème tiphaé ( a, b, c) au ytème équivalent biphaé ( d, q) et inveement, ce ytème toune à une vitee qui dépend de gandeu tatoique ou otoique. Pou éalie cette tanfomation algébique, on utilie le matice de PARK diecte et invee ( Annexe B). En appliquant la tanfomée de PARK, on obtient : Pou le tato : d q = R I = R I d q d + dt d + dt ( ϕ ) d ( ϕ ) q ω ϕ + ω ϕ q d (.19) 3

43 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Pou le oto : d q = R I = R I d q d + dt d + dt ( ϕ ) ( ω ω ) d ( ϕ ) + ( ω ω ) q ϕ ϕ q d (.0) Nou devon teni compte de équation liant le difféent couant ( I, I, i = d q) Au tato : i i, ϕ ϕ d q = I = I d q + + m m I I d q (.1) Au oto : ϕ ϕ d q = I = I d q + + m m I I d q (.) Où : : Inductance pope cyclique du tato ; : Inductance pope cyclique du oto ; m : Inductance mutuelle cyclique tato-oto. a. Equation mécanique Afin d obteni le modèle complet de la machine aynchone doublement alimentée, il faut qu on tienne compte de l équation mécanique, qui et : Où : J p ( ω ) d dt = C J : Moment d inetie de patie tounante ; C : Couple éitant ; C f : Couple de fottement. e couple de fottement et donné pa : e C C f (.3) f C f = ω = f Ω (.4) p 33

44 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Avec f : Coefficient de fottement viqueux. Enfin l équation mécanique peut ête fomulée pa : J dω dt J = p dω dt = 3 p m ( ϕ I ϕ I ) C f Ω d q q d (.5) Choix de éféentiel En généal, l étude du compotement dynamique de machine électique peut e faie uivant la tanfomation de PARK pou difféent éféentiel. e choix du éféentiel effectue uivant le phénomène à étudie et le implification offete pa ce choix. Toi type de éféentiel ont intéeant en patique [7] : a. Réféentiel lié au tato Ce éféentiel et appelé aui ytème d axe( ) β α, qui et immobile pa appot au tato ( ω = 0) et utilié pou étudie le égime de démaage et de feinage de machine électique [9, 7]. b. Réféentiel lié au oto Dan ce ca, le ytème d axe ( x, y) et immobile pa appot au oto et toune avec la vitee ( ω α = ω ). Ce ytème d axe et utilié pou étudie le poceu tanitoie dan le machine ynchone et aynchone avec une connexion non ymétique de cicuit du oto [9, 7]. c. Réféentiel lié au champ tounant Ce éféentiel et appelé aui ytème d axe ( d, q), qui et immobile pa appot au champ tounant, c et-à-die ( ω α = ω )[9, 7]. α. Il.3.6. Avantage et inconvénient Comme le aute machine, la MADA péente quelque avantage et inconvénient qui ont lié à pluieu facteu, a tuctue, a tatégie de commande et e application Avantage e pincipaux avantage de la MADA ont : acceibilité au tato et au oto offe l oppotunité d avoi pluieu degé de libeté pou bien contôle le tanfet de puiance et le facteu de puiance avec toute le poibilité de écupéation ou l injection d énegie dan le enoulement de la machine [8]. 34

45 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE a capacité de pouvoi augmente la plage de vaiation de la vitee autou de la vitee de ynchonime. De plu, l application de la commande vectoielle aociée à une technique de commande modene pemet d obteni un couple nominal u une gande plage de vitee [9, 30] ; Dan la MADA, le cicuit otoique peut ête piloté pa un convetieu de féquence de puiance elativement faible pa appot au tato. Ce convetieu otoique de haute commutation et utilié pou éalie de haute pefomance dynamique en teme de temp de épone, de minimiation de hamonique et d amélioation de endement [8] ; 'utiliation d'une MADA pemet de éduie la taille de convetieu d'envion 70% en faiant vaie la vitee pa action u la féquence d'alimentation de enoulement otoique. Ce dipoitif et pa conéquent économique et, contaiement à la machine aynchone à cage, il n'et pa conommateu de puiance éactive et peut même ête founieu [9] ; En fonctionnement généateu, l'alimentation du cicuit otoique à féquence vaiable pemet de délive une féquence fixe au tato même en ca de vaiation de vitee. Ce fonctionnement péente la MADA comme une altenative éieue aux machine ynchone claique dan de nombeux ytème de poduction d'énegie décentaliée [9] ; Son utiliation et péféée pou e popiété de églage de vitee pa action u de éitance placée dan le cicuit otoique, et encoe a poibilité de démae an demande un couant impotant du éeau [8] ; Un fonctionnement en égime dégadé, i l un de deux onduleu tombe en panne, plu ouple que la machine à imple alimentation [30] Inconvénient Tout d abod, la MADA et une machine aynchone; alo le pemie inconvénient et que a tuctue et non linéaie, ce qui implique la complexité de a commande. En plu de ça, on peut cite le inconvénient uivant : e maché taditionnel et conqui pa la MAS à cage, tè étudiée et tè connue, la nouveauté peut effaye [4] ; Elle et plu volumineue qu'une MAS à cage de puiance équivalente. 'apect multiconvetieu augmente le nombe de convetieu, et pa conéquent le pix [4] ; on utilie un nombe de convetieu (deux edeeu et deux onduleu ou un edeeu et deux onduleu) plu impotant que la machine à cage (un edeeu et un onduleu) [30] ; Un aute inconvénient appaaît lo de l étude de cette machine, c et la tabilité notamment en boucle ouvete. En effet, dan le ca de la machine aynchone conventionnelle celle-ci et gaantie pa la elation fondamentale de l autopilotage éaliant l aeviement de la vitee pa la féquence du 35

46 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE tato. Pa conéquent, le deux foce magnétomotice du tato et du oto deviennent ynchoniée. Mai dan le ca de la machine aynchone à double alimentation, la otation de foce magnétomotice devient fonction de féquence impoée pa le deux ouce d alimentation extene. De ce fait, une cetaine ynchoniation ente elle et exigée afin de gaanti une tabilité à la machine [8]..4. Modéliation de l alimentation de la MADA e fonctionnement avec convetieu tatique et effectué en utiliant un eul convetieu au oto compoé d un edeeu à diode, un bu continu et d un onduleu à IGBT alo que le tato et elié diectement à la ouce tiphaé. a MI utiliée et égulièe, tiangulaie, ymétique. e IGBT ont choii en aion de la implicité de leu commande et de la apidité de leu commutation, malgé un coût upéieu de thyito Stuctue du convetieu tatique (edeeu à MI.onduleu) onduleu de tenion et un convetieu tatique contitué de cellule de commutation généalement à tanito ou thyito GTO pou le gande puiance. Il pemet d impoe à la machine de onde de tenion à amplitude et féquence églable pa la commande. Apè edeement, la tenion filtée dc et appliquée à l onduleu. Il et le cœu de l ogane de commande de la MADA et peut ête conidéé comme un amplificateu de puiance. e chéma tuctuel de onduleu tiphaé à deux niveaux et de e chage et illuté pa la figue.14. Chaque IGBT diode aemblé en paallèle fome un inteupteu bicontôlable (à l ouvetue et à la femetue) dont l état appaaît complémentaie à celui qui lui et aocié pou fome aini un ba de commutation pa exemple K 11 et K1. Figue -14.Schéma de pincipe d un onduleu tiphaé alimentant le oto d une MADA 36

47 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE e couple d inteupteu( K et K ), ( K et K ) ( K et K ) , 31 3 doivent ête commandé de manièe complémentaie pou aue la continuité de couant altenatif dan la chage d une pat et d évite le cout-cicuit de la ouce d aute pat. e diode ( D ) i( i=1,,3,...,6) ont de diode à oue libe auant la potection de IGBT. état de inteupteu, uppoé pafait peut ête défini pa toi gandeu booléenne de commande ( ). S i( i = a, b, c) S = 1, le ca où l inteupteu de haut et femé et celui d en ba ouvet. i S = 0, i le ca où l inteupteu de haut et ouvet et celui d en ba femé. Aini, on peut écie le tenion de phae ina b, c, en fonction de ignaux de commande : S i ina, b, c DC = S idc (.6) e toi tenion compoée compte du point fictif «0».,, ont définie pa le elation uivante en tenant ab ab bc ca bc = = = a0 b0 c0 ca b 0c 0a = = = Soit n le point neute du côté altenatif (MADA), alo on a : a0 b0 c0 b0 c0 a0 (.7) a0 b0 c0 = = = an bn cn n0 n0 n0 (.8) a chage et conidéée équilibée, il en éulte : + = 0 (.9) an + bn cn a ubtitution de (.8) dan (.7) donne : 1 n0 = ( a0 + b0 + c0 ) (.30) 3 En emplaçant (.30) dan (.8), on obtient : 37

48 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE an bn cn 1 1 = aà b0 c = a0 + b = a0 + b c0 c0 (.31) utiliation de l expeion (.6) pemet d établi le équation intantanée de tenion imple en fonction de gandeu de commande : an bn cn = 3 DC S 1 S S a b c (.3) Avec, a 0 b0 et c0 comme le tenion d entée de l onduleu (valeu continue), et i an, bn et cn ont le tenion de otie de cet onduleu, pa conéquent, l onduleu et modélié pa la matice du tanfet T donnée pa : T = 1 1 (.33) Modulation de ageu d Impulion Elle conite à conveti une modulante (tenion de éféence au niveau commande), généalement inuoïdale, en une tenion ou fome de céneaux ucceif, généée à la otie de l onduleu (niveau puiance). Au niveau électonique, on pincipe epoe u la compaaion de la modulante avec la poteue (tenion à haute féquence de commutation). a valeu du appot de féquence ente la poteue tiangulaie (ou en dent de cie) et la modulante pocède d un compomi ente une bonne neutaliation de hamonique et un bon endement de l onduleu. e technique de modulation ont nombeue, le plu utiliée ont: a natuelle, la égulièe, l optimiée (élimination de hamonique non déié), la vectoielle et la modulation à bande d hytééi. objectif de la MI, c et la minimiation ou la éduction de ocillation u la vitee, le couple et le couant. Cela pemetta de éduie la pollution du éeau électique en hamonique, avec minimiation de pete dan le ytème pa conéquent augmente le endement [1]. Dan ce tavail, pami le technique de modulation pécitée la technique MI natuelle ea utiliée en e baant u la compaaion ente deux ignaux figue

49 CHAPITRE 0 MODEISATION DU SYSTEME DE CONERSION EOIENNE Figue -15.Pincipe de commande en MI inu-tiangulaie. e pemie, c et le ignal de éféence qui epéente l image de la inuoïde qu on déie à la otie de l onduleu, ce ignal et modulable en amplitude et en féquence. e econd, qui et appelé ignal de la poteue, définit la cadence de la commutation de inteupteu tatique de l onduleu. C et un ignal de haute féquence pa appot au ignal de éféence. On peut égle la tenion de otie de l onduleu en agiant u d amplitude mod : = m (.34) mod p : aleu de cête de la poteue ; p m : aleu maximale de la tenion de éféence. Aini, on peut agi u l indice de modulation m : f p m = (.35) f m f : Féquence de la poteue ; p f : Féquence de la modulante. m a valeu maximale de la tenion fondamentale (à la otie de l onduleu) vaut exactement : 3 DC i max = (.36) mod DC : a tenion continue à l entée de l onduleu. 39