turbine éolienne (Modélisation et commande) Bruno FRANCOIS

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1 La turbine éolienne (Modélisation et commande) Bruno FRANCOIS Master (Recherche) Sciences et Technologies Mention : «Automatique et Systèmes Electriques Spécialité : Energie Électrique et Déeloppement Durable (E2D2) Laboratoire d Electrotechnique et d Electronique de Puissance : L2EP Principe de conersion aérodynamique, et modèlisation des turbines éoliennes Forces appliquées sur une pale Caractérisation risation d une d turbine éolienne Modèlisation du multiplicateur Drie train modelling Modèlisation du système mécanique 2

2 Forces appliquées sur une pale Le ent applique une force sur la pale La pale applique une force sur les molécules d air La force de résistance à l'aancement du ent (Drag force) est la force produite par le ent dans la direction du ent. Derrière la turbine, la itesse du ent est donc fortement atténuée et perturbée. 3 Turbulences derrière re la turbine Turbulence (Étude de DEWI) 4

3 On tourner des pales Principe inerse Il s ensuit «Drag force» qui pousse l ensemble de la structure _ qui bouge si cette structure est mobile : Hélicoptère _ qui créée une force autour d elle si la structure est fixe : Ventilateur 5 Forces appliquées sur une pale Pales rillées Drag force Lift force Une seconde force «ascensorielle» apparaît (Lift force) : _ qui est toujours orientée orthogonalement à la direction du ent _ dont le sens dépend de la forme de la surface 6 Vent

4 Rotation d une d turbine éolienne 3 Force ascensiorrielle (Lift force) Force de poussée (Drag force) 7 Puissance éolienne Puissance déeloppée une masse se déplaçant à une itesse : 2 P =. m. 2 Puissance déeloppée un olume de molécules d air se déplaçant à une itesse : 3 P wind =. ρ. A. 2 Aec ρ : Densité de l air.22 (kg/m 3 ) A : Aire balayée par les pales π.r 2 : itesse du ent Puissance aérodynamique captée par une turbine éolienne : Cp : coefficient de puissance (rendement) P aerodynamical = C p.p wind = C p. ρ.a

5 Caractérisation risation d une d turbine Coefficient de puissance : Cp 0.3 = =2 =4 Cp < 0.59 Cp =6 =8 = Power aerodynamic efficiency ersus tip speed ratio Ratio de itesse: = for a.5 MW three bladed turbine R. Angle d orientation des pâles : Approximation mathématique : π.( 0. ) C p (, ) ( ).sin + = ( 3). ( ) 9 Détermination du couple Puissance (W) = Couple (N.m) x Vitesse angulaire (rad/s) T aerodynamical =. ρ.a. 3.C p. (R) 2 Ω turbine π.( + 0. ) C p (, ) = ( ).sin ( 3). ( ) (R2) Ω R = turbine (R3) R C p R2 R3 0

6 R Modélisation du multiplicateur Τ aerodynamical T Ω gearbox = turbine = T aerodynamical mec Ω (R4) (R5) Τ gearbox enerator R4 R5 Modélisation du système mécanique Équation fondamentale de la dynamique dωmec J. = T = T mechanical (R7) dt Bilan des couples T = Tgearbox Tem Tiscous (R6) mechanical Couple de frottements isqueux T iscous = (R8) f.ωmec Drie train R4 R6 T mechanical R7 T iscous R8 R5 2

7 R Modelisation du système mécanique Τaerodynamical Ωturbine Τgearbox Ωmec enerator Wind turbine ρ Cp.. A _ + Drie train J.s+f C p R.Ω blade R R4 R6 Drie train T mechanical R7 C p R2 R3 R5 T iscous R8 3 Modelisation du système mécanique Source mécanique Inertie MS Multiplicateur Arbre 4

8 Benefit Intérêt de la génération g à itesse ariable Power C P3 P2 B P A 2 Wind Speed Ω Ω 2 The generator speed must be adapted Puissance électrique (kw) 600 Mesure 400 Simulation Vitesse mécanique (tr/mn) But, this operating domain is limited for low speeds and low powers 5 Intérêt de la génération g à itesse ariable Intérêts des éoliennes à itesse ariable: Augmenter l énergie extraite du ent Réduire le bruit généré par la turbine Réduire les contraintes mécaniques Améliorer la qualité de l énergie fournie au réseau 6

9 Principe : P = T Intérêt de la génération g à itesse ariable aerodynamical. Ω turbine imposé par le ent Il faut imposer la itesse de référence ( _ref ) qui permet d obtenir le maximum de puissance (selon la itesse mesurée du ent) Extraction maximale de la puissance : MPPT 7 8

10 Commande de la turbine par asserissement de itesse Pour asserir la itesse, il faut inerser le chemin en gras Multiplicateur Arbre Modèle Commande ref MPPT Asserissement de itesse _ref _ref _reg 9 Commande de la turbine par asserissement de itesse R R4 R6 Drie train T mechanical R7 C p R2 R3 R5 T iscous R8 Modèle Commande reg R23c _reg R5c _reg R678c _reg MPPT Controle de la puissance Asserissement de itesse 20

11 Commande de la turbine sans asserissement de itesse En régime permanent Équation fondamentale de la dynamique dω J. = T = dt mec T mechanical = Tem + T iscous (Le couple de frottement est négligeable) Équation de commande en régime permanent em _ reg gearbox T = T 2 T Commande de la turbine sans asserissement de itesse Ωmec Taerodynamical = Tgearbox (R4e) em _ reg = = (R5e) R R4 R6 Drie train T mechanical R7 C p R2 R3 R5 T iscous R8 Modèle Commande R reg R4e _reg R3 R5e Controle de la puissance 22

12 = T Commande de la turbine sans asserissement de itesse R. Ω R R Ω turbine mec (R3) = Ωturbine =. (R3e) aerodynamical = C p _ max R ρ 3..A.. 2 Ω mec (Re) R4 C p _ max R6 Drie train T mechanical R7 C p R2 R3 R5 T iscous R8 Modèle Commande Re reg R4e _reg R3e R5e Controle de la puissance 23

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