LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES POUR LES GENERATEURS EOLIENS. Elec 2004 Paris 7 Décembre 2004 JM CANINI Resp Techonologie Eolienne Jeumont SA

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2 LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES POUR LES GENERATEURS EOLIENS Conférence Elec 2004 Paris 7 Décembre 2004 JM CANINI Resp Techonologie Eolienne Jeumont SA 2 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 2

3 Concept Eolienne Pitch mécanisme Capteurs de puissance et de vitesse Pâle flexible Arbre flexible Tour flexible Bati flexible Contrôleur Mesures : Puissance, vitesse de rotation et du vent, erreur du yaw Ordres : Pitch, couple, Orientation de yaw, de freinage, d ilotage 3 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 3

4 Exemple : modèle linéarisé Vent Pitch Tour Aéro Pitch Mécanisme Poussée Rotor Vitesse Pitch Ordre Couple Mécanique de transfert Algorithme de contrôle Alternateur Vitesse Alternateur Couple Erreur Capteurs Consigne de Fonctionement 4 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 4

5 Technologies : un large choix de possibilités Contrôle Concept Alternateur Vitesse - Pitch Multiplicateur Multiplicateur Attaque directe Asynchrone Asynchrone Synchrone Vitesse fixe (2 vitesses) Vitesse variable Vitesse variable - Stall Multiplicateur Attaque directe Asynchrone Synchrone Vitesse fixe (2 vitesses) Vitesse variable - Active Stall Multiplicateur Asynchrone Vitesse fixe (2 vitesses) 5 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 5

6 Synthése Avantages Inconvénients - Pitch - Permet de contrôler la puissance et de réduire les chargements par vents forts et extrêmes - Dynamique spécifique requise pour les mécanismes de pitch - Paliers en pied de pâle - Stall - Pas de palier en pied de pâle - Auto limitation de la puissance par effet stall ( décrochage aérodynamique) - Design spécifique pour ces pales (structure mécanique et amortisseur adapté) En première conclusion, il n y a pas de Technologie Universelle mais des expériences et des solutions à combiner pour atteindre les exigences de ce Marché. 6 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 6

7 Une solution Les Eoliennes à Attaque Directe J48 : Stall Attaque directe Aimant Permanent Synchrone Vitesse Variable EQUIPMENT

8 J48 Nacelle 8 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 8

9 Contrôle de puissance Principaux objectifs Vitesse variable Faire varier le couple alternateur pour contrôler la vitesse pour maximaliser la puissance par vents faibles (Cp optimisé) pour réguler la puissance par vents forts (stall controlled) Facteur de puissance Adapter la puissance réactive fournie au réseau et être capable de soutenir les réseaux faibles Frein electrique Assister les freins mécaniques et supprimer les freins type tip brake Tolérance aux perturbations réseaux Eviter les stop and go suite à des défauts réseaux type micro coupures néfastes à la longévité des composants 9 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec2004 9

10 J48 éolienne > Rendements Vitesse de rotation variable (speed - power regulation) Optimisation de la vitesse de rotation par vents faibles Ajustement de la puissance par vents forts ( kW) w in d s p e e d ( m /s ) r p m LOW WINDSPEED wind speed windspeed (m /s) rpm power (kw / 100) HIGH WINDSPEED 0 0:00 5:00 10:00 15:00 20:00 time (s) time (s) JEUMONT 10 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

11 J48 wind turbine > Qualité de puissance Contrôle du facteur de puissance Connexion douce sur le réseau : séquence sans impact sur le réseau CONNECTION TO THE GRID (STARTING) RPM power (kw / 100) time (s) JEUMONT 11 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

12 Fabrication Montage alternateur 12 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

13 Fabrication Montage Nacelle 13 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

14 Site Assemblage rotor 14 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

15 Widehem site Investisseur : SAEML Nord - Pas de Calais 15 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

16 Une autre solution Les Eoliennes avec Multiplicateur 1000A : Pitch Multiplicateur Asynchrone Vitesse Fixe EQUIPMENT

17 Strength Calculation Procedure (1) Simulated Wind apply to Mechanical Strength Calculation Wind Speed Simulated Varying Wind Time (2) Strength analysis and design confirmation for Each Component FEM ANALYSIS Blade Stress Main Shaft Stress Gear Stress Tower Stress Foundation Stress 17 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

18 Spécification Générale du multiplicateur (1) Spécification multiplicateur Norme du Standard : Germanischer Lloyd (DIN3990) Puissance Nominale : 1000kW Vitesse nominale : arbre lent 19,8t/mn, arbre rapide 1822 t/mn Rapport de multiplication : approx. 92 Type : 1 Planétaire + 2 Helicoïdaux (2) Eolienne Puissance : 1 MW Classe : IEC Classe II 18 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

19 Structure & Amélioration Double rangée de roulements sphériques(capacité dynamique augmentée de 30% ) Paliers séparés pour reprise des efforts radiaux et axiaux Sortie Arbre rapide Entrée Etage Planétaire Arbre lent 19 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

20 Amélioration multiplicateur Augmentation de la dureté des engrenages par nitruration Augmentation de la surface de contact des dents en choisissant des contacts type chevron Renforcement des dents pour respecter les chargements issus des calculs suivant norme GL. Amélioration du profil de la dent pour réduire les bruits dus aux imperfections de contact Lubrification forcée pour palier, engrenage Filtration (10 microns) etc. 20 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

21 Test pleine charge du multiplicateur Essai pleine charge du multiplicateur 1MW Montage multiplicateur 21 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

22 Contrôle de l éolienne Objectifs et compromis Quelque soit le type d éolienne Puissance quasi constante autour de la valeur visée sans correction du pitch trop fréquente... sans excitation de résonnance Minimiser les chargements Chargements transitoires, et particulièrement les variations de couple pour le multiplicateur si celui- ci existe sur l éolienne. Chargements à la fatigue sur la structure En activant les systèmes d amortissement adhoc Simple dans le concept, Difficile dans la réalisation 22 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

23 Amélioration de l algorithme de contrôle Agir en parallèle sur la boucle de pitch et sur celle de couple pour améliorer la production de kwh tout en minimisant les chargements Accroître la dynamique de contrôle pour gérer et traiter en temps réel des problémes de dynamiques particuliers Rehausser l effet Amortissement par l algorithme de contrôle pour les réponses de structure faiblement amortie Ajouter des capteurs pour communiquer plus d informations au systéme de contrôle voire corriger ou affiner les ordres de fonctionnement. 23 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec

24 Ma conclusion : Importance du Control design Quelque soit le type d éolienne, le Facteur Clé reste le CONTROL DESIGN Différentes stratégies de contrôle peuvent avoir un effet majeur sur les chargements de l éolienne et sur le système électrique (alternateur et convertisseur) Il y aura toujours des compromis à faire Le Control design est un process d optimisation complexe. 24 EQUIPMENT >ELEC /12/2004 JMC dec