Modélisation et Commande d’un Système de Conversion d’Energie Eolienne

Modélisation et Commande d’un Système de
Conversion d’Energie Eolienne

Les pales

La pale d’une éolienne est en réalité le véritable capteur de l’énergie présente dans le vent. Des performances dépend la production d’énergie de l’installation, puis par conséquent l’intérêt économique de la machine. La conception d’une pale doit faire appel à un compromis délicat entre le rendement aérodynamique, la légèreté, la résistance statique, la tenue en fatigue. Ainsi le choix des profils, leur répartition en envergure, la forme en plan (évolution de la corde en fonction de l’envergure) et le vrillage de la pale doivent être soigneusement étudiés. Par exemple, selon le type de régulation choisi et selon la taille de l’éolienne, le vrillage pourra différer significativement d’une machine à l’autre. Pour une machine de grande taille à pas variable, on pourra envisager de démarrer la rotation en s’aidant du générateur utilisé en moteur. Par contre, pour une petite éolienne régulée au décrochage, le vrillage, notamment au pied de la pale, devra permettre un démarrage autonome de la machine. À ces contraintes s’ajoutent bien évidemment les critères relatifs au vent que la machine devra « utiliser ». Les constructeurs sont ainsi amenés à proposer différents types de pales pour une même puissance en fonction de la vitesse moyenne rencontrée sur les sites d’implantation. Après le choix d’une première configuration aérodynamique, il faut concevoir une structure résistante et légère. Pareillement, les conditions de vent (vitesses, taux de turbulence) influent sur la conception (charges extrêmes, tenue en fatigue). On s’aperçoit donc aisément que la conception d’une pale est en fait un procédé itératif avec de nombreux paramètres et de nombreuses contraintes. Il est certain que l’apparition de logiciels de calcul évolués associés à des optimiseurs facilite fortement la tâche du concepteur.

La nacelle

Son rôle est d’abriter les composants transformant l’énergie mécanique en énergie électrique notamment le générateur. La nacelle regroupe toutes les parties mécaniques permettant de découpler le rotor éolien au générateur électrique : arbre lente et rapide, roulement, multiplicateur, le frein à disque, diffère freins aérodynamiques, qui permettent d’arrêter le système en cas de surcharge. 

Le multiplicateur de vitesse

Il sert à élever la vitesse de rotation entre l’arbre primaire et l’arbre secondaire qui entraîne la génératrice électrique. En effet, la vitesse de rotation faible de l’éolienne ne permettrait pas de générer du courant électrique dans de bonnes conditions avec les générateurs de courant classiques. La boîte de vitesse permet d’avoir un rotor tournant lentement (30 à 40 tours/min) pouvant se coupler à un générateur de série, donc peu cher, qui tourne 40 à 50 fois plus vite. Dans les pays froids on doit réchauffer ces grosses boîtes d’engrenages. 

L’arbre secondaire

L’arbre secondaire comporte généralement un frein mécanique qui permet d’immobiliser le rotor au cours des opérations de maintenance et d’éviter l’emballement de la machine.

L’anémomètre

Il mesure la vitesse du vent. Relier à un système de contrôle, il permet d’activer les mécanismes de freinage de l’éolienne afin de ralentir, voire d’arrêter l’éolienne si le vent est très fort.

La girouette

Ce composant indique la direction du vent. L’information est transmise au système d’orientation via un système de contrôle électronique. I.4.8 Le système d’orientation Il permet d’orienter l’éolienne selon la direction du vent car il ne souffle pas toujours dans le même sens.

La génératrice

C’est un alternateur qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Les plus simples et robustes sont des générateurs synchrones à aiment permanent.

Régulation de la puissance fournie par le system éolien

La régulation joue un rôle essentiel pour diminuer les couts de la production d’énergie électrique, optimiser et assurer la meilleure qualité de la puissance générée, notamment en limitant les fluctuations causées par les variations de vent. Le système de régulation-commande dans une chaine de conversion d’énergie éolienne est assez complexe car il réagit sur deux parties indépendantes qui sont connectées sur le même arbre à savoir le contrôle sur la partie mécanique du rotor (angle d’attaque) et le contrôle coté électrique sur la génératrice et connexion au réseau

Système de contrôle mécanique

Ce moyen de contrôle permet essentiellement de limiter la puissance dans le cas des vents forts. a. Contrôle à calage variable de pale Le contrôle du pas des pales (Pitch Control) est principalement appliqué aux systèmes à vitesse variable. La différence est que la commande de pas n’est pas appropriée dans les systèmes à vitesse fixe en raison des écarts de puissance. Si le contrôle de l’angle d’inclinaison des pales est appliqué à une éolienne à vitesse fixe, une petite variation de la vitesse du vent se traduira par une variation beaucoup plus importante de la puissance de sortie. Un facteur important est également le temps de rotation des pales à l’angle souhaité, ce qui fait varier la puissance mécanique et affecte le régime net. En revanche, dans un système à vitesse variable, ces variations seront appliquées sous la forme d’un changement de la vitesse du rotor et la puissance électrique fournie au réseau ne l’affectera pas [1.21]. b. Décrochage aérodynamique Dans l’application du contrôle du décrochage (contrôle passif du décrochage), les pales sont fixées sur l’axe sans changer leur angle, ce qui entraîne une perte d’appui aérodynamique en cas de vents forts. En conséquence, le couple développé est réduit, donc la puissance générée conduit à des glissements négatifs continus de la vitesse de rotation. Un avantage important de cette tactique est qu’il n’y a pas de pièces rotatives sur le rotor . Mais la conception de cette stratégie de contrôle est un processus difficile sur le plan aérodynamique et modifie la conception de l’ensemble du système. Les inconvénients sont les suivants : performances à des vitesses de vent faibles, assistance au démarrage incomplète et variations de la puissance maximale produite en régime permanent en raison des changements de la densité de l’air et de la fréquence du réseau. c. Régulation active par décrochage aérodynamique Le contrôle actif du décrochage utilise le même processus de contrôle que celui du contrôle du pas des pales combinées à la capacité de perdre le support aérodynamique des pales assurant des charges élevées et un spectre de puissance. Le contrôle passif des pertes de support peut être appliqué aux systèmes à vitesse fixe, tandis que le contrôle actif des pertes de support peut être utilisé dans les systèmes à vitesse variable. Lorsque le contrôle actif de pas des pales est utilisé dans des systèmes à vitesse fixe, n’entraîne pas les problèmes présentés pour le contrôle du pas des pales. La figure ci-dessous montre que pour le contrôle mécanique, le meilleur contrôle est l’application d’une perte d’appui active et d’un contrôle du pas des pales

Système de contrôle électrique

Le contrôle électrique est principalement appliqué aux systèmes à vitesse variable et est basée sur la technologie de l’électronique de puissance coté génératrice. Le contrôle au niveau de la génératrice permet d’optimiser le captage de l’énergie pour les vents faibles et moyens. La génératrice peut être liée directement ou indirectement au réseau électrique. Les algorithmes de contrôle MPPT sont une nécessité dans les systèmes WT pour une extraction maximale de l’énergie éolienne disponible en fonction de la vitesse du vent. Les algorithmes MPPT aident à stabiliser la puissance de sortie lorsque la vitesse du vent dépasse la vitesse nominale, protégeant ainsi l’éolienne contre les surcharges et les surtensions. Il existe plusieurs algorithmes MPPT disponibles pour les éoliennes, mais le choix de l’algorithme dépend de la compétence de l’utilisateur. Chacun de ces algorithmes à ses propres mérites et démérites.