Modélisation d une chaîne de conversion éolienne équipée D une machine asynchrone double alimentation

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1 Revue es Energies Renouvelables ICESD (0) 8 Moélisation une chaîne e conversion éolienne équipée D une machine asynchrone ouble alimentation M. Smaïl * an A. Benatiallah Laboratoire LEESI, Faculté es Sciences et e la Technologie Université e l Unité Africaine Ahme Draïa, Arar, Algérie Résumé - Cet article traite e la moélisation un système e récupération e l énergie es courants e vent, à savoir une éolienne équipée une génératrice asynchrone ouble alimentation. Dans le premier temps et ans le but e pouvoir évaluer les performances et la ynamique e l éolienne, ans ifférents conitions e fonctionnement, un moèle multi physique est implanté sous Matlab/Simulink. L objectif e cette moélisation est appliqué une commane pour contrôler inépenamment les puissances active et réactive, générées par la génératrice asynchrone ouble alimentation. Mots clés: MADA, Eolienne, Réglage es puissances active et réactive.. INTRODUCTION Puisque l énergie électrique actuellement basée sur les énergies fossiles, que sont le charbon, le pétrole et le gaz sont onc es voies vers lesquelles notre société oit s engager. De plus la consommation énergie, toujours en augmentation, fait réuire les réserves en énergies fossiles et rapproche l échéance e leur épuisement, ou u moins leur extraction à moinre frais. En effet, pour prenre l exemple u pétrole, les puits sont ésormais beaucoup plus profons et les gisements plus ifficiles accès, ce qui nécessite plus infrastructures et e transformation avant e pouvoir être utilisé comme combustible pour être transformer sous une autre forme énergie. Cet exemple montre qu un jour vienra où les solutions à base énergie renouvelable alternative qui sont en ce moment trop coûteuse et peu rentable, se révéleront moins chères que les énergies fossiles. Espérons toutefois que nous saurons évelopper ces énergies renouvelables avant ce jour []. Les énergies éoliennes peuvent contribuer avec une part significative aux nouvelles sources énergie n émettant pas e gaz à effet e serre. Leur exploitation raisonnée permet e prouire e l électricité. Ces énergies renouvelables théoriquement exploitables sont nombreuses et variées. [] Les systèmes éoliens se éveloppent ainsi plus rapiement, car on peut ésormais s appuyer sur es techniques faibles et éprouvées, e plus le potentiel énergétique monial e cette énergie est estimé à une puissance e 500 TWh, ce qui représente une gisement énergétique non négligeable et très prometteur. [] Dans le cas e l Algérie, comme le montre la figure, la cartographie e la ensité e puissance moyenne annuelle récupérable à 0 mètres, la majorité u Su Ouest u Sahara, est caractérisée par un potentiel annuel moyen récupérable variant e à MWh/m. []. Afin être capable une part e choisir une technologie aaptée à un site particulier et e tester es lois e régulation un système éolienne et autre part, il * amine006@yahoo.fr

2 4 M. Smaïl et al. apparaît nécessaire e isposer un outil e simulation capable e moélise l ensemble e la chaîne e conversion énergie et e prévoir ses performances. [4] Dans un premier temps, un moèle e la partie mécanique e la turbine éolienne et après un moèle e la génératrice asynchrone ouble alimentation a été proposé sous Matlab/simulink pour évaluer sa ynamique et ses performances ans ifférentes conitions e fonctionnement. Fig. : Densité e puissance moyenne éolienne récupérable à 0 m u sol en Algérie. MODELISATION DE LA TURBINE EOLIENNE Le schéma global une chaîne e conversion énergie éolienne connectée au réseau électrique est écrit par la figure. Le système éolien a pour but e convertir l énergie cinétique u vent en énergie mécanique isponible sur un arbre e transmission, puis en énergie électrique par l interméiaire une génératrice. Fig. : Schéma une chaîne e conversion énergie Le moèle est basé sur les caractéristiques e puissance en état équilibre e la turbine. La rigiité e l arbre entraînement est supposée infinie, le coefficient e frottement et l inertie e la turbine oivent être combinés avec ceux u générateur

3 ICESD 0: Moélisation une chaîne e conversion éolienne équipée une 5 couplé à la turbine, [5]. La puissance mécanique isponible sur l arbre un aérogénérateur s exprime ainsi: P C ) R v m p ( () Avec, R (), Vitesse e rotation avant multiplicateur; R, Rayon e l aérogénérateur, 5.5 m;, Densité e l air,.5 kg/m. Le coefficient e puissance C p représente le renement aéroynamique e la turbine éolienne et il épen e la caractéristique e la turbine. La figure représente la variation e ce coefficient en fonction u ratio e vitesse, et e l angle e l orientation e la pale. Fig. : Coefficient e puissance pour ifférents angles e calages A partir es relevés réalisés sur cette éolienne e.5 MW, l expression u coefficient e puissance est interpolée sous la forme suivante [9]: C C C5 p (, ) C C C4 exp C6 () i i avec, 0.05 (4) i 0.08 C = 0.579; C = 6; C = 0.4; C 4 = 5; C 5 = ; C 6 = [4]. Compte tenu u rapport u multiplicateur e vitesse K, la puissance mécanique P mg isponible sur l arbre u générateur électrique s exprime par: P R v mg Cp K (5) V, vitesse e rotation après multiplicateur. Connaissant la vitesse la turbine, le couple aéroynamique est onc irectement éterminé par: P mg C p C s v R V ae Cp (6)

4 6 M. Smaïl et al. L équation fonamentale e la ynamique permet e éterminer l évolution e la vitesse mécanique à partir u couple mécanique total ( C mec ) appliqué au rotor: J Cmec (7) Où, J est l inertie totale qui apparaît sur le rotor e la génératrice. Ce couple mécanique pren en compte, le couple électromagnétique ( C em ) prouit par la génératrice, le couple es frottements visqueux ( C vis), et le couple ( C r ). Cmec C r C em C vis (8) Le couple résistant u aux frottements est moélisé par un coefficient es frottements visqueux f [6]. Cvis f (9) 4. MODELISATION DE LA MADA Dans le but e commaner un système électrique onné, il est nécessaire e onner son moèle mathématique en tenant compte e certaines hypothèses simplificatrices afin obtenir un moèle plus simple que possible. 4. Moèles électriques Equations es tensions Au stator VSA V SB R S V SC Au stator Vra V rb R r V rc Equations es flux Au stator [ s ] [L s ] [i s ] [L m ] [i r ] Au rotor [ r ] [L r ] [i s ] [L m ] [i s ] ISA I SB I SC Ira I rb I rc SA SB SC ra rb rc (0) () () () 4. Moèle e la MADA ans le repère e Park L application e la transformation e Park aux équations électriques e la MADA, [5] et ans le référentiel lié au champ tournant nous permet aboutir au système équations électriques suivantes: V s V sq V r V rq R s I s ( s ) s sq R s I sq ( sq s s ) R r I r ( r ( s r ) rq ) R r I rq ( rq ) ( s r ) r (4)

5 ICESD 0: Moélisation une chaîne e conversion éolienne équipée une 7 A partir e cette équation, on onne le moèle état e la MADA comme suit: K I s I s s I sq r r K rq V s K V r T r L s K I sq I sq s I s rq r K r V sq K V rq T r L s (5) L m r I s r sirq V r T r T r L m rq I sq rq sirq V rq T r T r Avec, ; K Ts Lm Ls Lr ; T Lr r ; LS L TS ; m Rr RS L r L S L équation u couple électromagnétique est onnée par: C Lm em p r Isq rq Is (6) Ls Les équations (5) et (6) peuvent être mises sous un schéma fonctionnel Simulink représenté ans la figure suivante. 5. CONCLUSION Ce travail nous a permis étuier le moe e fonctionnement u système e conversion énergie éolienne (moèle e la turbine à vitesse variable, moèle e la génératrice asynchrone à ouble alimentation). NOMENCLATURE : Densité e l air,.5 kg/m R : Rayon u rotor éolien : Vitesse relative e l éolienne P m : Puissance extraite par le rotor éolien C p : Coefficient e puissance e l éolienne : Angle e calage es pales une éolienne

6 8 M. Smaïl et al. P : Puissance mécanique isponible sur l arbre e la génératrice R S, R r : Résistances une phase statorique et rotorique L m : Inuctance mutuelle cyclique stator-rotor i : Angle incience es pales une éolienne à axe horizontal L S, L r : Inuctances cycliques statorique et rotorique REFERENCES [] A. Boyette, Contrôle Commane un Générateur Asynchrone à Double Alimentation avec Système e Stockage pour la Prouction Eolienne, Thèse e Doctorat, Université Henri Poincaré, Nancy, 006. [] M. Ajouj, M. Abi, A. Aissaoui, Y. Ramani et H. Bounoua, Commane par Moe Glissant une Machine Asynchrone à Double Alimentation Monté ans une Eolienne, Revue Nature et Technologie, N, pp. 7 4, 00. [] N. Kasbaji Merzouk et H. Daaou, Atlas Energétique Eolien e l Algérie, Séminaire International sur la Physique Energétique, SIPE 5, Béchar, 000. [4] Site internet e l Association Danoise e l Inustrie Eolienne, [5] Y. Djeriri, Commane Vectorielle une MADA intégrée à un Système Eolien, Mémoire e Magistère, Université e Sii Bel Abbès, Algérie, Décembre 009. [6] F. Fenouli, K. Nabti, K. Abe et H. Benalli, Moélisation, Simulation et Contrôle une Turbine Eolienne à Vitesse Variable Basée sur la Génératrice Asynchrone à Double Alimentation, Revue es Energies Renouvelables, Vol. 4, N, pp. 09 0, 0. ANNEXE Coefficient e puissance éveloppé par la turbine éolienne Moèle e la turbine éolienne en bloc Simulink