IUT de Brest Rue de Kergoat CS 93837, Brest Cedex Ecole Navale, EA 3634 IRENAV

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1 Conférence EF 2009 UTC, Compiègne, Septembre 2009 ETUDE COMPARATIVE D UNE GENERATRICE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTION ET D UNE GENERATRICE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS POUR LA GENERATION D ENERGIE HYDROLIENNE BEN ELGHALI S.E. 1, BITTARD J. 1,2, LEON C. 1,2, CHARPENTIER J.F. 2 et BENBOUZID M.E.H. 1 1 Univerité de Bret, EA 4325 LBMS IUT de Bret Rue de Kergoat CS 93837, Bret Cedex 03 Mohamed.Benbouzid@univ-bret.fr 2 Ecole Navale, EA 3634 IRENAV Lanveoc-Poulmic, BP 600, Bret Armée Réumé Le travail préenté concerne l étude de ytème de récupération de énergie renouvelable marine. Parmi celle-ci, l énergie de courant de marée et l une de plu prometteue et fait l objet de nombreue recherche et étude à traver le monde et d une implantation expérimentale par EDF. L article concerne la modéliation de ytème de récupération et de converion de cette énergie dan leur environnement. Ce travail incrit dan un projet de recherche plu global qui vie à développer un outil multiphyique permettant de modélier une chaîne de converion hydrolienne dan on environnement et de prévoir ce performance. Cet outil e préente comme une bibliothèque modulaire ou Matlab-Simulink où il et poible d implanter différent type de technologie (turbine, convertieur électromécanique, etc.) et de tratégie de commande. L objectif du travail préenté dan cet article et de comparer la génération électrique d une hydrolienne à axe horizontal en utiliant deux type de génératrice : la génératrice aynchrone à double alimentation et la génératrice ynchrone à aimant permanent. La modéliation de élément compoant la chaîne de converion d énergie et préentée. Elle comprend un modèle de la reource (courant de marée) et de la turbine. Le deux type de convertieur électromécanique ont également repréenté par de modèle de Park. Le commande en vitee de ce 2 ytème ont également préentée. L implantation de ce modèle a permi d effectuer un comparatif de performance entre la machine aynchrone à double alimentation et la machine ynchrone à aimant permanent. De comparatif ur le coût d acquiition et la fiabilité de intallation viennent compléter cette étude. Mot Clé. Hydrolienne, machine aynchrone à double alimentation, machine ynchrone à aimant permanent, modéliation, commande. INTRODUCTION Aujourd hui, le problème d environnementaux obligent le politique et indutriel à e diriger ver la recherche de nouvelle forme d énergie moin polluante dite renouvelable. Une de ce énergie renouvelable, l énergie hydrolienne, ucite depui quelque année un intérêt particulier du fait de e nombreux avantage. En effet, la force et la vitee de courant de marée, phénomène prédictible, peuvent être connue de décennie par avance. Pour une hydrolienne placée à un endroit donné, il et donc poible, par oppoition aux autre énergie renouvelable, dépendant de condition météorologique, de connaître à tout moment qu elle era au premier ordre la puiance extractible par le getionnaire de réeaux d énergie, afin d alimenter e conommateur. De plu, le pay d Europe de l Ouet et en particulier le Royaume Uni et la France poèdent de nombreux ite prè de cote ou cette énergie et exploitable dan de bonne condition économique [1-3].

2 En outre, pour une hydrolienne comme pour une éolienne, la puiance extractible et proportionnelle à la mae volumique du fluide ρ, à l aire balayée par le pale A, à la vitee du fluide V marée au cube et à un coefficient de puiance C p claiquement compri entre 0.3 et 0.45 elon l équation 1 P = ρ Cp AV 2 La mae volumique de l eau étant environ 800 foi upérieure à celle de l air, pour une même puiance une hydrolienne préentera donc un encombrement réduit par rapport à une éolienne. A titre d illutration la figure 1 préente la comparaion de dimenion de deux machine (hydrolienne et éolienne) de 1MW pour de condition d utiliation typique. 3 marée Figure 1. Comparaion de taille d une hydrolienne et d une éolienne [ MCT] Ce avantage ont conduit de nombreue équipe académique et indutrielle à intéreer aux ytème hydrolien. Il et cependant à noter que dan ce domaine, aucune technologie de référence n a encore émergé. On contate à l examen de projet actuel un foionnement de technologie divere [2-3]. En France EDF a décidé d intaller un ite expérimental pour ce type de technologie au large de l archipel de Bréhat [4]. Il et alor néceaire de dipoer d outil de imulation capable de modélier l enemble de la chaîne de converion d énergie et de prévoir ce performance. Ce outil permettront in fine comparer et choiir la technologie la plu intéreante pour un ite donné. Notre travail incrit dan cette optique de imulation d une chaîne hydrolienne dan on environnement [5-7]. Aprè avoir décrit le différent modèle de élément de la chaîne nou préenteron de imulation ur un ca concret qui permettent une comparaion de performance de type de ytème baé ur une turbine à axe horizontal utiliant deux type de génératrice : la Génératrice Aynchrone à Double Alimentation (GADA) et la Génératrice Synchrone à Aimant Permanent (GSAP). L enemble de la chaîne de converion comprend la reource (courant de marée), la turbine (ici une hélice à axe horizontal) et un éventuel multiplicateur, la génératrice on convertieur et a commande et le élément de connexion au réeau. Ce élément ont décrit à la figure 2. Reource (Courant de marée) Hydrolienne Multiplicateur Génératrice & Convertieur Connexion au réeau Figure 2. Schéma global d une chaîne de converion hydrocinétique utiliant une hydrolienne MODELISATION DE LA RESSOURCE La vitee de courant en un point et un intant donné peut être extrapolée à partir de donnée iue de ervice hydrographique nationaux tel que le SHOM en France. Ceux-ci donnent la vitee de courant de marée pour chaque heure de marée en un lieu donné pour le coefficient de marée 45 (V me = vitee moyenne de morte eau) et 95 (V ve = vitee moyenne de vive eaux) il et alor poible de calculer la vitee du courant pour un coefficient quelconque C par la formule uivante.

3 V marée = V + me ( C 45)( V V ) ve me (1) Il et alor poible d obtenir la vitee du courant à chaque intant en un point donné [5]. La figure 3 donne aini la vitee de courant en un point du Raz de Sein pour l année et le moi de mar A cette reource prédictible il et poible d ajouter de perturbation liée à l effet de houle ou de turbulence. Vitee du courant (m/ec) Vitee du courant (m/ec) Temp (heure) Temp (heure) Figure 3. Vitee de courant pour le Raz de Sein (année 2007 à gauche, mar 2007 à droite) MODELISATION DE LA TURBINE Nou avon modélié une turbine de type hélice à axe horizontal, cette hélice et modéliée par la théorie de élément de pale (Blade Element Method ou BEM en anglai). Cette méthode et utiliée à partir de la connaiance de la géométrie de la turbine (nombre de pale, loi de corde, de vrillage, loi d épaieur de pale) A partir de ce donnée géométrique cette théorie permet de manière itérative de calculer le coefficient de portance et de traînée de chaque partie élémentaire de chaque pale. Il et aini de déterminer le performance de l hélice en tant que capteur d énergie pour chaque point de fonctionnement poible de la turbine défini par une vitee de fluide et par une vitee de rotation. L utiliation de ce type de modéliation permet par a implicité de mie en œuvre et a bonne préciion une trè bonne intégration dan le modèle global du ytème. Ce modèle a été validé par comparaion avec de donnée expérimentale iue de la littérature [8]. A titre d exemple, la figure 4 donne la coefficient de puiance Cp d une hélice tripale de 1,44-m de diamètre utiliant de pale de type NACA44 en fonction de la vitee du courant et de la vitee de rotation de l hélice. Afin de pouvoir extraire le maximum de puiance il et alor néceaire que la vitee de la turbine adapte à la vitee du courant elon la loi de recherche du point de puiance maximale (Maximal Power Point Tracking ou MPPT en anglai). Le uivi de ce point de fonctionnement optimaux et montré pour la même turbine à la figure 5 qui préente le lieu de ce point de fonctionnement et le courbe de puiance en fonction de la vitee du courant. Il et à noter que pour le fort courant la puiance extraite et limitée par la puiance nominale du ytème. C p V tide λ Figure 4. Caractéritique et performance de l hélice étudiée

4 Figure 5. Courbe de puiance et loi MPPT MODELISATION ET COMMANDE DE LA GENERATRICE L hélice étudiée au paragraphe précédent et aociée à une génératrice de 7.5-kW qui peut être ynchrone à aimant permanent aociée à un double convertieur MLI de puiance nominale ou aynchrone à double alimentation aociée à un double convertieur MLI à puiance réduite connecté au rotor. Ce machine ont pilotée en vitee elon la loi de type MPPT définie au paragraphe précédant. Le choix de puiance de ce ytème correpond à de intallation expérimentale type telle que le ytème expérimental Sabella D03 intallé par la ociété Hydrohelix dan l etuaire de l Odet [9]. Modéliation de la GADA La GADA et modéliée par un modèle électromécanique claique de type Park dont le équation ont préentée ci deou. dφd = Vd + Rid +ωφq d φ q = Vq + Riq ωφd d φ dr = Vdr + Rrid r +ωrφqr d φ qr = Vqr + Rriqr ωrφdr φ d = Li d Midr φ q = Li q Miqr φ dr = Li r dr Mid φ qr = Li r qr Miq 3 Tem = pm( iqidr idiqr ) 2 dω J = Tem Tm f ω (2) Il et poible Ce modèle peut e traduire en chéma bloc (figure 6-a). La commande en vitee du ytème repoe ur l utiliation claique de régulateur linéaire de type PI. A titre d exemple, la figure 6-b préente le ynoptique de commande de la GADA. Une decription détaillée du modèle et de a commande et donnée dan [7]. Nou avon choii au niveau de la GADA de limiter la puiance rotorique à un tier de la puiance nominale. Ce choix, claique dan le domaine de l éolien a priori proche de problématique hydrolienne, conduit à une limitation de la vitee de la machine entre 0.5 et 1.5 foi a vitee de ynchronime [10].

5 Vitee de courant de marée V qr _ + _ 1 R r σ Lr 1+ R r M l L ω I qr M + p + L + _ T em 1 J + f ω l ωl σ r T m l ω L σ r V dr R r σl r 1+ R r I dr M L 1 + R φ d (a) Multiplicateur Puiance tatorique Réeau 50 Hz GADA Convertieur PWM I Génératrice Convertieur PWM II Réeau MPPT u v Puiance rotorique Vitee du courant (m/ec) V marée Puiance (W) I, I r ωref Commande en Vitee Variable Temp (heure) Reource ω r (rad/ec) (b) Figure 6. Schéma bloc et Synoptique de commande de la GADA Modéliation de la GSAP deou La GSAP et elle aui modéliée par un modèle de type Park dont le équation ont préentée ci did Vd = RId + Ld ωlqiq diq Vq = RIq + Lq +ωlqiq ωφ 3 Tem = p ( Ld Lq ) Id Iq φf I q 2 f (3) (4) Cette machine et contrôlée de manière trè claique en vitee par le biai d une boucle de vitee aociée à une boucle de courant interne. Le courant dan l axe direct et alor maintenu à 0 (minimiation de perte joule dan la GSAP), le courant dan l axe q ervant au contrôle du couple de la machine. Comme pour la GADA de régulateur linéaire de type PI ont utilié au niveau de boucle de courant et de vitee. RESULTATS DE SIMULATION Le puiance pouvant être extraite ur la GADA et la GSAP ont comparée à l aide de imulation ur une durée de 30 jour. Cette durée et ramenée à une durée réduite de 720 econde (au lieu de 720 heure)

6 pour de raion de durée de imulation. Le figure 5 et 6 préentent le puiance prédite et réellement extraite de la GADA au niveau global (figure 7) et au niveau du rotor (figure 8). La figure 9 préente la puiance extraite de la GSAP ur la même période. Dan le 2 ca on contate de différence mineure entre la puiance prédite et celle imulée en prenant en compte l enemble du ytème. Ce différence ont due eentiellement au fait que la commande et référencée en vitee et non en puiance aini qu à la prie en compte de perte. On contate également que pour le 2 ytème le uivi en vitee peut être aurée pour une hydrolienne de manière tout à fait correcte avec de régulateur linéaire i le paramètre du ytème retent fixe. Il et à noter que i au cour du temp le paramètre de la machine ou de la turbine évoluent il et poible d utilier de mode de contrôle non linéaire comme propoé dan [8] afin d obtenir un ytème plu robute. On contate enfin qu il et poible pour de génératrice de même puiance d extraire plu d énergie avec la GSAP qu avec la GADA. La puiance moyenne extraite ur le moi et alor de 1.55-kW pour la GADA et de 1.7-kW pour la GSAP. Aini, ur une année, il et poible d extraire 13.5-MWh avec la GADA et 14.5-MWh avec la GSAP, en utiliant la même turbine hydrolienne ce qui repréente une différence de l ordre de 7 à 8%. Ceci et du aux limitation de vitee plu tricte impoée à la génératrice aynchrone à double alimentation en vue d un dimenionnement adéquat du convertieur. Ce réultat obtenu pour de génératrice de faible puiance (7.5-kW) ont généraliable pour de génératrice de puiance plu élevée. Figure 7. Evolution de puiance totale extraite attendue ur la GADA Figure 8. Evolution de puiance extraite au rotor ur la GADA

7 Figure 9. Evolution de puiance extraite et attendue ur la GSAP COMPARAISON TECHNICO-ECONOMIQUE DES DEUX SYSTEMES ET CONCLUSIONS Il emble intéreant de comparer dan le contexte lié à l extraction de l énergie de courant marin le 2 ytème le plu employé pour le ytème éolien que ont le ytème à bae de GADA et GSAP. Le Tableau I préente de élément comparatif concernant ce 2 ytème. Tableau I. Elément de comparaion GSAP/GADA. GSAP GADA Avantage Rendement élevé Pa de balai donc néceite moin de maintenance Fonctionnement en entraînement direct an multiplicateur Fonctionnement à vitee variable ur toute la plage de puiance Puiance maique élevée Inconvénient Electronique de puiance dimenionnée pour la puiance nominale de la génératrice Grand diamètre de génératrice Prix de l électronique de puiance Prix de aimant permanent Avantage Electronique de puiance dimenionnée à une fraction de la puiance nominale Connexion de la génératrice plu facile à gérer Inconvénient Rendement faible Contrôle commande complexe Contact gliant bague balai Puiance maique faible Plage de vitee limitée Néceité d un multiplicateur (maintenance régulière) En dehor de la différence en terme de production de puiance au léger avantage de la GSAP contaté au paragraphe précédent, il et à noter que la GADA emble a priori légèrement plu avantageue que la GSAP en terme de coût d acquiition car l enemble machine convertieur et a priori moin cher pour une GADA, ce qui explique le uccè de ce ytème pour l application éolienne. Cependant le contexte particulier de l application marine impoe de contrainte différente. Le hydrolienne eront immergée dan de lieux qui ont le iége de fort courant et ont difficile d accè. La minimiation de apect maintenance et alor un apect fondamental. Une GSAP à entraînement direct néceite beaucoup moin de maintenance qu une GADA qui comprend un multiplicateur qu il et néceaire de vidanger à intervalle régulier aini qu un ytème balai/bague pour l alimentation du rotor. Ce ytème préentent de plu de taux de défaillance élevé contaté dan le domaine de l éolien [11]. Il et à noter qu afin de minimier le ytème de tranmiion électromécanique, il et également poible d intégrer directement une génératrice ynchrone à aimant permanent au ein d une tuyère qui entoure la turbine. L hélice de la turbine porte une culae magnétique avec de aimant permanent et contitue alor le rotor de la génératrice. Cette olution permet d obtenir un ytème a priori plu compact et robute qu une chaîne d entraînement claique [12]. La figure 10 préente un chéma de principe de ce type de concept à entraînement circonférentiel (Rim Driven an anglai). Ce type de concept a été adopté par la ociété OpenHydro choiie par EDF pour fournir de turbine du ite expérimental de Paimpol- Bréhat [13] aini que par la ociété Cleancurrent aociée à ALSTOM [14]. On peut donc conclure pour toute

8 ce raion que i le olution à bae de génératrice à double alimentation ont connu un grand uccè dan le domaine éolien ça ne era probablement pa le ca dan le domaine hydrolien auf ca particulier. L utiliation d une génératrice à aimant à entraînement direct emble en effet beaucoup plu intéreante pour cette application qui néceite de ytème trè robute et an maintenance. Figure 10. Principe d une génératrice intégrée de type Rim Driven REFERENCES [1] EU Commiion, The exploitation of tidal marine current, Report EUR16683EN, [2] S.E. Ben Elghali et al., Le ytème de génération d énergie électrique à partir de courant de marée, Revue 3EI, n 52, pp , Mar [3] S.E. Ben Elghali et al., Marine tidal current electric power generation technology: State of the art and current tatu, in Proceeding of IEEE IEMDC'07, Antalya (Turkey), vol. 2, pp , May [4] Site d EDF R&D : (dernière conultation mar 2009). [5] S.E. Ben Elghali et al., A imulation model for the evaluation of the electrical power potential harneed by a marine current turbine, IEEE Journal on Oceanic Engineering, vol. 32, n 4, pp , October [6] S.E. Ben Elghali et al., High-order liding mode control of DFIG-baed marine current turbine, in Proceeding of the IEEE IECON 08, Orlando, Florida (USA), pp , November [7] S.E. Ben Elghali, Modéliation et commande d une hydrolienne équipée d une génératrice aynchrone double alimentation, dan le Acte de JCGE'08, Lyon (France), Décembre [8] A.S. Bahaj et al., Power and thrut meaurement of marine current turbine under variou hydrodynamic flow condition in a cavitation tunnel and a towing tank, Renewable Energy, vol. 32, pp , [9] Blog édité par 3B coneil ur le énergie de la mer : (dernière conultation juin 2009). [10] B. Multon et al., Le génie électrique dan le vent : Etat de l art dan le domaine de la génération éolienne, JCGE 03, St-Nazaire, Juin [11] P.J. Tavner et al., Reliability of different wind turbine concept with relevance to offhore application, in Proceeding of EWEC 08, 9 pp., Bruel (Belgium), April [12] L. Drouen et al., Study of an innovative electrical machine fitted to marine current turbine, in Proceeding of the EEE OCEAN 07, 6 pp., Aberdeen (Scotland), June [13] Blog édité par 3B coneil ur le énergie de la mer : (dernière conultation juin 2009). [14] Blog édité par 3B coneil ur le énergie de la mer : (dernière conultation juin 2009).