Etude et simulation d’un aérogénérateur à base d’une MADA

Sachant que plus de 85% d’énergie utilisée dans le monde provient de gisement de combustible fossile (charbon, pétrole, gaz) ou d’uranium, obtenue au fil des âges et de l’évolution géologique, cependant celle qui repose sur les énergies renouvelables ne représentent que 15% de la consommation énergétique en 2011 .

Etude et simulation d’une Turbine

L’éolienne assure la conversion partielle de l’énergie cinétique capté par le vent en énergie électrique. Ses différents éléments sont conçus avec la possibilité de maximiser cette conversion énergétique tout en tenant compte de la nature de la génératrice, avec la nécessité d’avoir une bonne adéquation entre les caractéristiques couple/vitesse de la turbine et la génératrice électrique couplé.

Nous nous proposons dans se premier chapitre de valider notre modèle de turbine avec l’objectif de l’utiliser dans le model global de notre aérogénérateur. Pour cela nous allons dans un premier temps définir un profil de vent, ensuite nous nous intéresserons à présenter les différents modèles de turbines, tout en mettant l’accent ses paramètres les plus importants. La commande MPPT avec asservissement de vitesse sera traiter ainsi que les performance du régulateur PI. Cette étude proposé se fera en simulation sous l’environnement MATLAB/Simulink SimPower System.

Modélisation du vent 

Le vent est considéré comme une énergie primaire pour les aérogénérateurs tout en étant une source d’énergie renouvelable et inépuisable. Cette variation intermittente de la vitesse du vent est obtenue suite à des phénomènes atmosphériques de sorte que lors d’une différence de température entre deux points va induire des différences de densité de masse d’air provoquant leur déplacement d’une altitude à une autre. Les vents sont produits par les différences de pressions atmosphériques engendrées principalement par les gradients de température. Les variations de la distribution des pressions et des températures sont dues essentiellement à une distribution inégale de l’énergie solaire sur la surface de la terre, et aux différences des propriétés thermiques des surfaces des continents et des océans. Quand les températures de régions voisines deviennent inégales, l’air le plus chaud tend à s’écouler par-dessus l’air le plus froid (le plus lourd).

La modélisation des aérogénérateurs nécessite une connaissance de la variation de la vitesse du vent au cours du temps. Lors de notre recherche bibliographique nous avons identifié deux modélisation de profile de vent, le premier établie par C. Nichita.

Les éoliennes à marche lente sont munies d’un grand nombre de pales (entre 20 et 40), leur inertie importante impose en général une limitation du diamètre à environ 8 m. Leur coefficient de puissance   atteint rapidement sa valeur maximale lors de la montée en vitesse mais décroît également rapidement par la suite. Les éoliennes à marche rapide sont beaucoup plus répandues et pratiquement toutes dédiées à la production d’énergie électrique.

Elles possèdent généralement entre 1 et 3 pales fixes ou orientables pour contrôler la vitesse de rotation. Les pales peuvent atteindre des longueurs de 60 m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts. Les éoliennes tripales sont les plus répandues car elles représentent un compromis entre les vibrations causées par la rotation et le coût de l’aérogénérateur. De plus, leur coefficient de puissance atteint des valeurs élevées et décroît lentement lorsque la vitesse augmente. Elles fonctionnent rarement au-dessous d’une vitesse de vent de 3 m/s .

Modèle de la turbine

Le dispositif traité dans notre étude est composé d’une turbine éolienne d’une puissance nominale de 2MW, comprenant des pales de rayon de 40 m qui entraîne une génératrice à travers un multiplicateur de gain G = 90.

Modélisation de l’éolienne à une masse

Dans le cas des grandes éoliennes, l’arbre lent du dispositif d’entraînement peut être considéré comme parfaitement rigide. Le modèle à deux masses décrit au paragraphe précédent peut alors se ramener à un modèle à une masse; constitué d’une seule inertie et d’un seul coefficient de frottement regroupant tous les coefficients de frottements externes, en considérant quelques hypothèses [15]:
• Les arbres de transmission sont parfaitement rigides .
• Le multiplicateur de vitesse est idéal .
• L’inertie de la génératrice Jg peut être négligée devant celle de la turbine Jr ou ramenée du côté de l’arbre lent.

L’inertie du multiplicateur et celle de la génératrice peuvent êtres, en première approximation, négligées devant celle du rotor. Elles représentent en moyenne entre 5 % et 10 % de l’inertie de la turbine, cette conception peut omettre certaines propriétés du couplage mécanique, car elle ne prend pas en compte la flexibilité du dispositif d’entraînement.

Technique d’extraction de maximum de puissance 

Le but principal de cette commande est le réglage de la vitesse de rotation de manière à maximiser la puissance électrique produite par l’éolienne, et cela, par le contrôle du couple électromagnétique de la génératrice. Cette stratégie de commande est connue par la terminologie MPPT. On peut distinguer deux modes de commandes [20]. ✓ Commande avec asservissement de la vitesse de rotation ; ✓ Commande sans asservissement de la vitesse de rotation.

Conclusion :
L’étude établie dans ce premier chapitre nous a permis dans un premier phase, de définir un profil de vent sur la base de notre recherche bibliographique avec le choix du model de Van Der Hoven, en seconde phase, nous avons effectué une présentation des principes de fonctionnement et modèles de certaines turbine, quel soit à une ou deux masses. En dernier lieu, nous avons effectué une série de simulation adoptant la commande MPPT avec asservissement de vitesse qui nous a permis de de mettre en évidence les performances de notre régulateur PI tout en présentant l’évolution des différents paramètres Cp, 𝜆𝜆 et 𝛽𝛽.