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Définition du système d’énergie éolien
Le mouvement des masses d’air en fonction de la différence de pression entre certaines régions de la planète dû indirectement à l’ensoleillement de la terre qui crée un réchauffement ou refroidissement local provient du vent qui est la source principale de l’énergie éolienne. Cependant, de nos jours, l’aérogénérateur qu’est une machine obtenant de l’énergie à partir du vent pour générer un courant électrique est la forme la plus connue et utilisée de technologie éolienne. Sa structure de base consiste en un rotor pour capter l’énergie cinétique du vent en la transformant en énergie mécanique en rotation, un couplage mécanique direct si la turbine et la génératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur ou un couplage réalisé par l’intermédiaire d’un système d’engrenage dans le cas contraire, une machine électrique pour convertir l’énergie mécanique disponible sur l’arbre de transmission en énergie électrique.
Cette énergie électrique produite dépend de trois paramètres: la forme et la longueur des pales de la turbine, la vitesse du vent et enfin la température qui influe sur la densité de l’air.
Différents Générateurs utilisées dans les systèmes éoliens
Grâce aux améliorations en technologie de conversion de puissance, différents arrangements et configurations des systèmes de conversion d’énergie éolienne ont été développés et par conséquent, différents types de générateurs ont été utilisés en basant sur plusieurs facteurs techniques et économiques tels-que la robustesse, le coût, la compatibilité, la simplicité et la standardisation…etc. Cependant, il y a également d’autres, mais la plupart des générateurs utilisés dans les systèmes éoliens pourraient être divisés en deux catégories principales : générateurs asynchrones et générateurs synchrones. Les deux groupes peuvent utiliser un rotor bobiné.
Commande de la chaîne éolienne
L’objectif de la commande d’une chaîne éolienne est d’assurer la sécurité de l’éolienne en développant une puissance optimale suivant la caractéristique Puissance-vitesse de la chaîne éolienne qui peut se décomposer en six zones.
Zone 1 : C’est la zone dans laquelle la turbine ne fonctionne pas puisque la vitesse mécanique est inferieure à une certaine vitesse Ωcut-in, dénommée vitesse de démarrage.
Zone 2 : C’est la zone de démarrage commençant lorsque la vitesse mécanique est supérieure à la vitesse de démarrage, dans laquelle la puissance fournie sur l’arbre dépend de la vitesse du vent. Zone 3 : Lorsque la vitesse de la génératrice atteint une valeur seuil, un algorithme de commande permettant l’extraction de la puissance maximale du vent MPPT est appliqué jusqu’à atteindre une certaine valeur de la vitesse mécanique. Dans cette zone, l’angle de la pale est maintenu constant à sa valeur minimale tandis que la vitesse de rotation est contrôlée par le couple électromagnétique de la machine électrique.
Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
Le dispositif d’orientation de la nacelle : Les problèmes majeurs de l’éolien sont la grande variabilité de la force exercée par le vent en direction et en intensité. Pour faire face au problème du changement en direction, il faut constamment orienter la nacelle face au vent, ce qui rend nécessaire un enregistrement de la direction du vent. Elle est effectuée grâce aux signaux émis par la girouette placée à l’arrière de la nacelle. Donc, afin d’améliorer l’utilisation de l’énergie éolienne, le système de commande d’orientation de la nacelle devient une composante importante de la turbine éolienne à axe horizontal. Il a deux fonctions principales : la première est d’assurer que la turbine éolienne découvrir la direction changeante de vent ; l’autre est de décrocher l’enchevêtrement de câble automatiquement quand le câble est entrelacé en raison de la commande de la nacelle.
Système d’orientation des pales « pitch » ou « à angle de calage variable » : Le système d’orientation des pales permet, grâce généralement à des vérins hydrauliques, d’ajuster l’angle de calage des pales à la vitesse du vent de sorte que la vitesse de rotor, et par conséquent le couple mécanique de rotor et l’énergie électrique produite soient maintenus aux niveaux désirés. En général, le système de régulation tourne les pales de quelques degrés à chaque variation de la vitesse du vent pour que les pales soient toujours positionnées à un angle optimal par rapport au vent. Le système d’orientation des pales est également un mécanisme de sûreté de l’éolienne par vents forts puisqu’il peut limiter la puissance mécanique de fonctionnement au maximum de la machine utilisée.
Systèmes de stockage d’énergie
La difficulté à prévoir les productions des systèmes éoliens à cause du caractère très fluctuant et aléatoire du vent amène ces systèmes à se comporter du point de vue électrique comme des charges passives pouvant dégrader la qualité de l’électricité. En effet, les éoliennes ne participent pas aux services système (réglage de la tension, de la fréquence, démarrage en autonome ou black-start, possibilité de fonctionner en îlotage, etc.) et ce sont les centrales classiques qui assurent la stabilité des réseaux électriques. Le taux de pénétration de ces systèmes est limité et ne peut pas dépasser 20-30% de l’énergie consommée afin de pouvoir garantir la stabilité du réseau dans des conditions acceptables. Car les systèmes éoliens seuls ne peuvent pas participer au réglage de la production reposant sur l’équilibre entre production et consommation, une idée de stockage a été exploitée. En effet, les systèmes de stockage d’énergie permettent d’avoir une réserve supplémentaire d’énergie fournissant non seulement une solution technique au gestionnaire du réseau pour assurer en temps réel une meilleure adéquation entre la production et la consommation, mais permettant également d’exploiter au maximum les ressources d’énergies éoliennes en évitant le délestage. A cet effet, le stockage d’énergie offre une meilleure solution actuelle pour que les systèmes éoliens puissent participer à la gestion du réseau électrique et en conséquence peuvent faciliter l’intégration des éoliennes en augmentant le taux de pénétration. Toutefois, ces systèmes de stockage d’énergie doivent être dynamiques afin qu’ils soient capables d’agir en temps réel, en fonction des fluctuations de la puissance générée et consommée et doivent avoir une densité énergétique élevée, une durée de vie similaire à l’éolienne, un bon rendement, un coût raisonnable…etc. D’autre part, les systèmes de stockage d’énergie doivent être capables de stocker l’énergie électrique pendant des périodes adaptées au profil du vent et à la puissance de la turbine. Cependant, dans la réalité et pour des fluctuations de vent à différentes fréquences, on ne peut pas imaginer un seul type de stockage d’énergie se caractérisant avec toutes ces nécessitées. En effet, il existe différentes solutions de stockage d’électricité et chacune de ces solutions a ses avantages et ses inconvénients.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : Etat de l’art sur l’éolien
1.1. Introduction
1.2. Définition du système d’énergie éolien
1.3. Classification de systèmes éoliens
1.3.1. Selon l’orientation de l’axe de rotation
1.3.2. Selon la vitesse de rotation
1.3.3. Selon le régime du fonctionnement
1.3.4. Autre classifications
1.4. Différents Générateurs utilisées dans les systèmes éoliens
1. 4.1 Générateur Asynchrone (IG)
1. 4.2 Générateur Synchrone (SG)
1. 4.3 Autres Générateurs
1.5. Commande de la chaîne éolienne
1. 5.1 Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
1. 5.2 Régulation électrique de la puissance d’une éolienne
1.6. Systèmes de stockage d’énergie
1.6.1 Stockage à court terme
1.6.2 Stockage à long terme
1.6.3 Le choix des technologies de stockage
1.7. Différents défaillance dans les systèmes éoliens
1.7.1. Les défaillances du contrôle électrique
1.7.2. Les défaillances du système d’orientation
1.7.3. Les défaillances de la boîte de vitesses
1.7.4. Les défaillances du réseau
1.7.5. Les défaillances hydrauliques
1.7.6. Les défaillances des pales
1.7.7. Types et causes de défauts dans les génératrices électriques
1.8. Conclusion
CHAPITRE 2 : La Sureté de fonctionnement et la commande fractionnaire des Systèmes
2.1. Introduction
2.2. La sûreté de fonctionnement des systèmes
2.2.1. Défaut, dégradation, défaillance et panne
2.2.2. Maintenance, surveillance et diagnostic
2.2.3. Conception d’un dispositif de sûreté de fonctionnement
2.2.4. Classification des méthodes de diagnostic
2.2.5. Technique de traitement du signal
2.3. La Commande fractionnaire
2.3.1. Dérivées d ordre fractionnaires
2.3.2. Propriétés de la dérivée d’ordre fractionnaire
2.3.3. Approximation rationnelle des Opérateurs Fractionnaires
2.3.4. Régulateur d’ordre Fractionnaire PIλ
2.4. Conclusion
CHAPITRE 3 : Diagnostic de Défauts d’une Machine Asynchrone Auto-Excitée dans une Chaîne Eolienne isolée
3.1. Introduction
3.2. Modélisation du système
3.2.1. Modélisation de la machines asynchrones auto excitées à cage d’écureuil
3.2.2. Modélisation du système de compensation d’énergie réactive
3.2.3. Le modèle de la turbine
3.2.4. Linéarisation du modèle de la turbine éolienne
3.2.5. Modélisation du système d’orientation des pâles
3.2.6. Modélisation de la vitesse de vent
3.3. Commande de la vitesse de rotation de la turbine
3. 3.1. Conception du régulateur fractionnaire PIαDµD
3. 3.2. Procédure de conception du régulateur fractionnaire PIαDµD
3.4. Condition de fonctionnement de la machine asynchrone avec défaut
3.4.1. Condition de fonctionnement avec un défaut rotorique
3.4.2. Condition de fonctionnement avec un défaut statorique
3.5. Mis en Application des Procédures du Diagnostic
3.5.1. Mis en application de la première procédure du diagnostic de défaut
3.5.2. Mis en Application de la deuxième procédure du diagnostic de défauts
3.6. Résultats et Discussions
3.7. Conclusion
Annexes
CHAPITRE 4 : Diagnostic de défaut d’une génératrice asynchrone à double alimentation pour un système d’énergie éolienne à vitesse variable
4.1. Introduction
4.2. Description du système étudié
4.3. Modélisation du système de conversion d’énergie éolienne
4.3.1. L’équation de la vitesse optimale de la turbine
4.3.2. L’équation dynamique de l’arbre de la machine en rotation
4.3.3. Le modèle dynamique de la MADA en présence des défauts rotoriques
4.3.4. Modèle mathématique de convertisseur multi-niveaux de type NPC
4.3.5. Modèle mathématique du filtre LR d’entrée
4.3.6. Modèle du système de stockage d’énergie à deux niveaux
4.3.7. Modèle de la vitesse du vent
4.4. La stratégie de commande du système d’énergie éolienne
4.4.1. Commande du convertisseur coté rotor
4.4.2. La Commande du Convertisseur Coté Réseau
4.4.3. Stratégie de la commande du système de stockage d’énergie à deux niveaux
4.4.4. La fonction de Bode
4.4.5. Exemples illustratives des méthodes de conception de FO-PI et FO-I
4.4.6. Comparaison avec le contrôleur classique PI dans le domaine temporel
4.5. La technique proposée de diagnostic de défauts
4.5.1. Évolution instantanée de la fréquence de défaut
4.5.2. La taille optimale de la fenêtre de la FFT pour la détection de défaut rotorique
4.6. Résultats et interprétations
4.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIES
