Commande du bus continu en présence des défauts
réseau d’un système éolien avec MADA

Introduction 

Ce chapitre présente l’état de l’art du système éolien avec MADA. Dans la première partie, un rappel bref est donné sur le développement de l’éolienne, les tendances du marché ainsi que les génératrices électriques utilisées dans les systèmes de conversion d’énergie éolienne. Ensuite, une revue de la littérature est menée sur les stratégies de commande du système éolien à base de MADA. La troisième partie fait l’objet d’une étude bibliographique sur les méthodes de commande pour une meilleure tenue aux creux de tension (LVRT). Enfin, la dernière section est concentrée sur les différentes stratégies de contrôle minimisant les fluctuations de tension du bus continu et leurs limites en termes de performance. L’objectif de cet état de l’art est de donner un aperçu sur les problèmes actuels et de positionner la thématique abordée. 

 Développement des éoliennes 

De nos jours, l’énergie éolienne est l’énergie renouvelable la plus prometteuse en terme de développement [4],[2]. L’éolienne a débuté avec quelques dizaines de kilowatts dans les années 1980 ; aujourd’hui, des éoliennes de plusieurs mégawatts (MW) sont disponibles sur le marché et leur taille continue de croître [4],[5]. Des installations record aux États-Unis, en Europe et en Chine de 47,8 GW en 2017, ont apporté 10 % de plus sur la capacité installée en 2016. Actuellement, la pénétration mondiale d’énergie éolienne dans les réseaux de distribution électrique est estimée à 539GW. Le Danemark a une forte pénétration d’énergie éolienne dans son réseau de distribution car, plus de 30% de la consommation électrique du pays est couverte par l’énergie éolienne 

 Marché de l’énergie éolienne et capacité cumulative 

La figure 1.1 donne une indication sur la capacité cumulative d’énergie éolienne ainsi que le taux de pénétration annuel de 2001 à 2017. Actuellement la puissance totale installée dans le monde est de 539.12 GW avec plus de 52.49 GW en 2017 ; c’est plus que toute autre énergies renouvelables [7][4]. En 2015 la pénétration mondiale annuelle était estimée 63.63 GW, ce chiffre montre que l’énergie éolienne est un facteur clé dans les systèmes modernes d’approvisionnement d’énergie électrique. La pénétration mondiale de l’énergie éolienne qui était de 2,5% en 2001, est passée en 2017 à 12.2%. La Chine est devenue le plus grand marché en 2017 avec plus de 188,3 GW d’éolienne installée, avec l’ensemble de l’Union européenne (121.3 GW) et les États-Unis (89.07 GW), partageant environ 85% du marché mondial en 2017 [8], [9]. Figure 1.1: Capacité cumulative d’énergie éolienne installée dans le monde [2] A la fin de l’année 2015, plus de 80 pays utilisent l’énergie éolienne sur une base commerciale et environ 26 pays disposent de plus de 1 GW d’énergie éolienne installée (Figure 1.2) dont 17 pays en Europe, 4 en Asie-Pacifique (Chine, Inde, Japon, Australie), 4 dans les Amériques (Brésil, Canada, États-Unis, Mexique) et 1 en Afrique (Afrique du Sud) [7][4]. L’objectif est de réaliser près de 2000 GW d’ici 2030, fournissant jusqu’à 19% de l’électricité mondiale [4]. De plus, les éoliennes raccordées au réseau jouent un rôle important dans le maintien de la stabilité et l’amélioration des performances du système électrique. En Afrique et au moyen orient, la Tunisie est le 5éme producteur d’énergies éoliennes. La capacité installée dans les principales régions du pays est de 245MW selon le rapport publié par Global Wind Energie Council en 2017 [2]. Chapitre 1 Etat de l’art Thèse Doctorat 8 ESP-LER et LSE-Qehna Au Sénégal, des éoliennes de pompage ont été installées dans de nombreux villages du pays, principalement pour l’adduction d’eau potable ou pour l’irrigation. Actuellement, la construction du plus grand champ éolien de l’Afrique de l’ouest est en cour dans la région de Thiès. Sa capacité est de 150MW ce qui permettra de dépasser la capacité des cinq centrales solaires de 120MW déjà connecté au réseau national (SENELEC). Figure 1.2: Répartition de part de l’énergie éolienne des différents pays sur le marché mondial En ce qui concerne les marchés et les fabricants, en 2017, la société danoise Vestas figurait toujours parmi les plus grands fabricants d’éoliennes au monde, suivie de près par Enercon et senvion, qui occupent respectivement les deuxièmes et troisièmes places sur le marché. La Figure 1.3 résume les principaux fournisseurs mondiaux d’éoliennes en 2017.Figure 1.3 : Principaux constructeurs de turbine éolienne La taille individuelle des éoliennes est également en augmentation spectaculaire afin de réduire le prix par kilowattheures. En 2011, la taille moyenne des éoliennes individuelles livrées sur le marché était de 1,7 MW, dont la taille moyenne des turbines extracôtières atteignait 3,6 MW. Les tendances croissantes de taille émergente des éoliennes entre 1980 et 2017 sont illustrées à la Figure 1.4 [10]. On peut noter qu’en 2012, les éoliennes de pointe de 8 MW avec des diamètres de 164m étaient déjà apparues sur le marché [4]. Actuellement, la plupart des fabricants développent des éoliennes de l’ordre de 4,5 à 8 MW, et on s’attend à ce que ce nombre augmente avec des éoliennes de plusieurs MW principalement en raison de l’objectif global de réduction du coût de l’énergie [10]. Figure 1.4: Augmentation de la taille des éoliennes 

 Evolution des systèmes de conversion

 Initialement, l’impact de la déconnexion des éoliennes sur le réseau électrique n’était pas grave. C’est pour cette raison que les techniques de conversion utilisée étaient basées sur la Chapitre 1 Etat de l’art Thèse Doctorat 10 ESP-LER et LSE-Qehna génératrice asynchrone à cage d’écureuil (SCIG) directement connectée au réseau. De ce fait, les pulsations de puissance de la turbine sont directement transférées aux réseaux. De plus, il n’y avait pas de contrôlabilité de puissances active et réactive fournies, qui sont des paramètres de contrôle importants pour la régulation de la fréquence et de la tension du réseau. Suite à l’augmentation spectaculaire du taux de pénétration et de la capacité individuelle des éoliennes, leurs impacts sont devenus non négligeables pour assurer la stabilité du réseau. Les éoliennes avec plus d’électronique de puissance sont devenues plus attractives.En effet, l’électronique de puissance permet de changer la caractéristique des éoliennes d’une source d’énergie non régulée à une unité de production d’énergie active. Certes l’électronique de puissance utilisée dans les systèmes éoliens n’est pas nouvelle mais certaines caractéristiques dans certains cas sont récentes. 1.5 Génératrices utilisées dans les systèmes éoliens Actuellement, les turbines proposées sur le marché se répartissent en deux grandes familles suivant l’architecture de la génératrice électrique utilisée: celles équipées d’une génératrice asynchrone (environ 75 % du marché), et celles équipées d’une génératrice synchrone (environ 25 % du marché) [9]. Les turbines asynchrones sont utilisées dans la plupart des cas car elles peuvent supporter de légères variations de vitesses du vent, notamment lors des rafales. De nos jours, la plupart des fabricants développent des éoliennes de grande puissance dans une gamme de 1.5 à 6 MW. En fonction de la vitesse de rotation et l’électronique de puissance, les systèmes éoliens peuvent être classés en quatre principaux groupes comme indiqué dans le tableau 1. Tableau 1 Comparaison des différents systèmes éoliens Types Géométrie Avantage Inconvénient Figure A Turbines éoliennes à vitesse fixe avec génératrice asynchrone à cage d’écureuil (MAS) Robuste, simple et faible coût incapacité à optimiser l’efficacité d’aérodynamique, fatigue et stress mécanique, banc de condensateur etc… Turbines éoliennes à vitesse variable partielle avec génératrice asynchrone à rotor bobiné (MASR) Amélioration de A Puissance dissipé à la résistance externe et banc de condensateur requise 1

ESP-LER et LSE-Qehna

 C Turbines éoliennes à vitesse variable avec convertisseur de puissance à échelle partielle et génératrice asynchrone à double alimentation (GADA) Coût réduite du BTB et filtre, Perte minimale, Sensibilité aux perturbations réseau, bruit du multiplicateur, et maintenance 1.7 D Turbines éoliennes à vitesse variable avec convertisseur de puissance à grande échelle et génératrice synchrones à aimants permanents (GSAP), MAS ou MASR Elimination des bagues collectrice, meilleur support au réseau BTB et filtre à grande capacité plus de pertes par commutation 

 Type A : Eolienne à base de la MAS (SCIG) 

Ce concept d’éolienne est basé sur la génératrice asynchrone à cage d’écureuil directement connecté au réseau (Figure 1.5). La plage de variation de la vitesse de la génératrice est très faible, c’est pour cette raison que cette configuration est souvent appelée turbine éolienne à vitesse fixe. Les avantages de cette structure sont la construction simple, robuste et peu coûteuse. Cependant, le principal inconvénient de cette topologie est que le système ne délivre la puissance nominale au réseau qu’à une vitesse de vent nominale, ce qui entraîne une faible efficacité de conversion à d’autres vents [11]. Un autre inconvénient de cette topologie est l’incorporation d’un compensateur de puissance réactive (un banc de condensateurs) pour palier la demande de puissance réactive de la génératrice entraînant une augmentation du coût. Vent MAS Ps, Qs ωm Réseau électrique multilplicateur Turbine Soft starter Bank de condensateur Bypass switch 

Type B : Eolienne basée sur la MASR (WRIG) à vitesse variable partielle 

La vitesse variable partielle consiste en une génératrice à rotor bobiné (WRIG) et un mécanisme de variation de la résistance du rotor (Figure 1.6). Le stator de la machine est directement connecté au réseau par un démarreur progressif, tandis que l’enroulement rotorique est connecté à une résistance externe du rotor à travers un convertisseur. L’amélioration par rapport à la configuration précédente est que la vitesse de rotation de la génératrice peut être variée de ±10% autour de la vitesse synchrone conduisant à une meilleure efficacité de conversion d’énergie. Cependant, les pertes de puissance dissipées dans la résistance externe du rotor et le banc de condensateur requis pour la compensation externe restent l’inconvénient principal de ce concept. Vent MASR Ps, Qs ωm Réseau électrique multplicateur Turbine Soft starter Banc de Resistance condensateurs variable Bypass switch Figure 1.6: Eolienne à vitesse partiellement variable avec résistance rotorique variable Pour optimiser la puissance débitée en fonction du vent, il est souhaitable de pouvoir régler la vitesse de rotation de l’éolienne. L’idée est de réaliser une génératrice à fréquence fixe et vitesse variable. La génératrice à vitesse variable permet de fonctionner pour une large gamme de vents récupérant un maximum de puissance tout en réduisant les vibrations sonores lors d’un fonctionnement à faible vitesse de vent. En vitesse variable, on régule le système de façon à ce que pour chaque vitesse de vent, l’éolienne produise une puissance maximale. C’est ce qu’on appelle le Maximum Power Point Tracking. Les éoliennes à vitesse variable peuvent être classées en deux types suivant l’architecture de la génératrice et le ratio de puissance du convertisseur par rapport à celle de la génératrice. 

 Type C : Eolienne à base de la MADA 

Vent MADA Ps, Qs CcM CcR ωm Réseau électrique Multiplicateur Turbine Bus continu filtre convertisseur Figure 1.7: Turbine éolienne avec MADA Dans cette configuration, les enroulements statoriques de la MADA sont directement connectés au réseau électrique, tandis que les enroulements du rotor sont connectés au réseau électrique via un convertisseur de puissance dénommé (back-to-back) (Figure 1.7). Le backto-back est composé de deux convertisseurs de puissance lié par un bus continu et qui sont commandés indépendamment l’un de l’autre. Comparée aux deux premières topologies l’éolienne avec MADA offre plusieurs avantages tels que : fonctionnement à vitesse variable, fonctionnement à quatre quadrants, capacité de réglage de puissance active et réactive. Coût de convertisseur et filtre moins faible, perte minimale comparé au type D. Avec cette configuration, il est possible d’avoir un flux de puissance active et réactive bidirectionnel du rotor au réseau [3]. Cette topologie est la plus répandu sur le marché de fabrication d’éoliennes avec une gamme de puissance de 1.5 à 6 MW et occupe environ 50% du marché des génératrices éoliennes actuel .