Les avantages et inconvénients de la machine asynchrone à double alimentation

 La capacité mondiale installée de l’énergie éolienne :

Avant 2010, le taux de croissance annuel n’avait cessé de croître depuis 2004, culminant à 31.7% en 2009, la plus forte valeur depuis 2001. Le plus fort taux de croissance de 2010 se Trouve en Roumanie, qui a multiplié sa capacité par 40. La seconde région au taux de croissance de plus de100% est la Bulgarie (+112%). En 2009, quatre marchés avaient plus que doublé leur capacité éolienne : Chine, Mexique, Turquie et Maroc. Après la Chine, les plus fortes croissances se situent en Europe de l’Est et en Europe du Sud Est : Roumanie, Bulgarie, Turquie, Lituanie, Pologne, Hongrie, Croatie, Chypre et Belgique. L’Algérie présente un potentiel éolien qui peut être exploité pour la production d’énergie électrique, surtout dans le sud où les vitesses de vents sont élevées et peuvent dépasser 4m /s (6m/s dans la région de Tindouf), et jusqu’à 7m /s dans la région d’Adrar [10]. Les ressources énergétiques de l’Algérie ont déjà été estimées par le CDER (laboratoire de l’énergie éolienne) depuis les années 90 à travers la production des atlas de la vitesse du vent et du potentiel énergétique éolien disponible en Algérie [11]. Le potentiel éolien, technique de ces régions a été estimé à 172 TWh/an dont 37 TWh/an économiquement exploitable soit l’équivalent de 75% des besoins nationaux en 2007. Les trois régions situées au sud-ouest du Sahara (Tindouf, In Salah et Adrar) semblent être les plus favorables à l’installation de fermes éoliennes car elles cumulent à elles seules un potentiel économique approchant les 24 TWh/an [11]. La figure I.10 présente la carte des vents en Algérie

Générateur asynchrone :

La plupart des génératrices utilisées par les éoliennes sont des génératrices asynchrones triphasées. Celles-ci ont plusieurs avantages : elles sont robustes, leur coût est faible et ont une simplicité mécanique. Par ailleurs, leurs inconvénients se trouvent au niveau de la consommation d’énergie réactive, qu’elles tirent soit du réseau, soit elles sont compensées par une batterie de condensateurs d’où la possibilité de fonctionnent autonome. Il existe deux types de machine asynchrone : la machine asynchrone à cage d’écureuil et la machine asynchrone à rotor bobiné

• a. Machine asynchrone à cage d’écureuil : Contrairement aux autres moyens traditionnels de production d’énergie électrique où l’alternateur synchrone est largement utilisé, c’est la génératrice asynchrone à cage d’écureuil qui équipe actuellement une grande partie des éoliennes installées dans le monde. Ainsi pour les aérogénérateurs de dimensions conséquentes (grande puissance et rayon de pales important), la vitesse de rotation est peu élevée. Or il n’est pas envisageable de concevoir une génératrice asynchro Il est donc nécessaire d’insérer entre la turbine et la machine asynchrone un multiplicateur mécanique de vitesse. La plupart des applications utilisant la machine asynchrone sont destinées à un fonctionnement en moteur (cela représente d’ailleurs un tiers de la consommation mondiale d’électricité), mais cette machine est tout à fait réversible et ses qualités de robustesse et de faible coût ainsi que l’absence de balais et collecteur ou de contacts glissants sur des bagues là rendent tout à fait appropriée pour l’utilisation dans les conditions parfois extrêmes.

A titre d’exemple, la caractéristique couple-vitesse d’une machine asynchrone à deux paires de pôles est donnée sur la figure I.16 [14]. Pour assurer un fonctionnement stable du dispositif, la génératrice doit conserver une vitesse de rotation proche du synchronisme (point g=0), dans le cas de la caractéristique couple-vitesse, la génératrice devra garder une vitesse comprise entre 1500 et 1600 tr/min. Le dispositif le plus simple et le plus couramment utilisé consiste à coupler mécaniquement le rotor de la machine asynchrone à l’arbre de transmission de l’aérogénérateur par l’intermédiaire du multiplicateur de vitesse et à connecter directement le stator de la machine au réseau (figure I.17). La machine à un nombre de pair de pôles fixe et doit donc fonctionner sur une plage de vitesse très limitée (glissement inférieur à 2%). La fréquence étant imposée par le réseau, si le glissement devient trop important, les courants statoriques de la machine augmentent et peuvent devenir destructeurs. La simplicité de la configuration de ce système (aucune interface entre le stator et le réseau et pas de contacts glissants) permet de limiter la maintenance sur la machine.

• b. Machine asynchrone à double alimentation : Ce type de machine est utilisé comme génératrice dans la plupart des projets de centrale éolienne, car il offre de grands avantages de fonctionnement. Intégrée dans un système éolien, la génératrice asynchrone à double alimentation permet de fonctionner sur une large plage de vitesses de vent, et d’en tirer le maximum de puissance possible, pour chaque vitesse de vent. Son circuit statorique est connecté directement au réseau électrique. Un second circuit placé au rotor est également relié au réseau mais par l’intermédiaire de convertisseurs de puissance. Etant donné que la puissance rotorique transitée est moindre, le coût des convertisseurs s’en trouve réduit en comparaison avec une éolienne à vitesse variable alimentée au stator par des convertisseurs de puissance. C’est la raison principale pour laquelle cette génératrice est largement employée pour la production en forte puissance. Une seconde raison est la possibilité de régler la tension au point de connexion de cette génératrice. Il existe plusieurs types de machines asynchrones à double alimentation que nous allons décrire ci-dessous.

Avec régulateur PI: Les résultats obtenus avec ce type de régulateur « PI » pour un profil du vent variable limité entre 4,5 m/s et 4,8 m/s(Figure IV.4) sont montrées dansles figures cidessous : Figure IV.7 et Figure IV.8, representant ans l’evolution des parametres {P, Q, Te, Ir, Ωm} en fonction de temps. Nous remarquons que dans les résultats ci-dessus, les simulations avec régulateur PI pour la puissance active, présente un régime transitoire d’une durée de 1s avec une valeur maximale de Pmax=5000 W et une valeur minimale de Pmin= -10000W. A la suite de l’application d’un echelon de puissance reactive (perturbation) à t=4s, une variation de puissance active avec des pics de -4830 W et -5300 W est survenue, suite à quoi notre puissance active rejoint sa consigne (- 5 000 W) après 0,15 s soit à t 4,15s. Cependant l’application d’une variation de puissance active P, suite à l’application d’un echelon à t=2s, induit une perturbation sur l’évolution de la puissance réactiveQpar l’apparition d’un régime transitoire au tour de 0 VAR avec une valeur maximale de Qmax= 100 VAR et une valeur minimale de Qmin=-200 VAR. Un suivi de consigne à partir l’instant t=2.15s de la puissance réactive est observé.La puissance réactiveQ prend une valeur qui n’est pas nul de l’ordre de 500 VAR à l’instant t=0s. On est à noter que la MADA a besoin d’une puissance réactive pour sa magnétisation.

L’influence entre les deux puissances ne s’effectue que de façon instantanée lors de leurs variations respectives. Notre découplage se fait correctement permettant ainsi de commander de façon autonome nos deux puissances (En est en présence d’un découplage de puissance active P et réactive Q) Le couple électromagnétique Temest à l’image de la puissance active, il présente un régime transitoire après l’instant t=0,1s avec des valeurs Te max=78 N.m et Te min=-89 N.m, remarquant aussi une variation de la valeur de -6,5 N.m à l’application de consigne de la puissance active à t=2 s atteignant la valeur maximale de -42 N.m. Le couple électromagnétique atteint la valeur de 32,5 N.m à partir de l’instant t=2,15 s. La vitesse de rotation de la MADA m varie à la variation du vent appliquée à l’entrée de notre turbine, ce qui va imposer le mode de fonctionnement de notre génératrice : hypo-synchrone ou hyper-synchrone. L’evolution de l’allure du courant rotorique Ir lors du passage d’un mode de fonctionnement à un autre (hypo vers hyper ou hyper vers hypo) présente un changement d’allure lie etroitement a l’evolution de l’allure de la vitesse mécanique m. Ce résultat confirme que la MADA peut fonctionner dans les deux régimes tout en permettant une transition douce. La tension du bus continue Vdc a un très faible régime transitoire au démarrage de la machine atteignant une valeur maximale de 510 V et une valeur minimale de 351V avec un temps d’etablissement de 0,3s pour se stabilisé autour de la référence (400 Volts) avec une fluctuation de l’ordre de ±24 V.