Modélisation et commande d'une MADA destinée à ... - UMMTO

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou Faculté de Génie Électrique et Informatique

Département d’Électrotechnique

En vue de l’Obtention du Diplôme d'un Master En Électrotechnique

Option : Entrainement électrique

Dirigé par : Réalisé par :

Mr: S.H OULD OUALI Mr: LITAMINE Toufik

Mr. A. BOUHADDA

Modélisation et commande d'une

MADA destinée à la production

d'énergie éolienne

Promotion

2012/2013

Résumé :

Ce travail présente l’étude, la modélisation et la commande d’une

génératrice éolienne type MADA (Machine Asynchrone à Double

Alimentation), nous avons en premier lieu fait un rappel sur des généralités des

systèmes éoliens, puis nous avons modélisé la partie électrique et la partie

mécanique d’une éolienne, dans le 3eme chapitre nous avons vu la commande

vectorielle de la MADA avec orientation du flux statorique et on a insérer des

régulateurs PI après les avoir dimensionnés, enfin dans le dernier chapitre on a

simuler la commande du modèle établie dans les chapitres précédents sous le

logiciel MATLAB/SIMULINK pour un profil du vent donné et on a interpréter

les résultats qui ont été satisfaisants.

Je remercie en premier lieu le bon DIEU, de m’avoir accordé la force et

le courage pour élaborer ce travail.

Je tien à remercier toutes les personnes qui ont directement contribué au

bon déroulement de ce projet de fin d'étude:

Aux personnels du département et particulièrement ceux de la bibliothèque.

A tout les professeurs de la faculté génie électrique d’université

MOULOUD MAMMERI TIZI-OUZOU pour leurs conseils et leurs

orientations.

A mes parents et à toute la famille LITAMINE

A mes frères et sœurs.

A tout mes amis particulièrement ceux qui m’on aider dans ce projet.

Et enfin mes remerciements à toutes les personnes qui ont eu la

gentillesse et la gratitude de m'aider de pré ou de loin dans la réalisation de ce

projet.

Et merci a tous………..

Je dédie ce modeste travail àJe dédie ce modeste travail àJe dédie ce modeste travail àJe dédie ce modeste travail à ::::

MMMMa très chère mère qui m’a aidé, soutenu et encouragé pendant

mon travail.

MMMMon très cher père qui a fait beaucoup de sacrifice pour moi.

MMMMes très chères sœurs : LILIA et LYNDA: LILIA et LYNDA: LILIA et LYNDA: LILIA et LYNDA

MMMMes très chers frères : KHKHKHKHEEEELIFALIFALIFALIFA etetetet AMINEAMINEAMINEAMINE

MMMMes proches : MES tentes et mes oncles MES tentes et mes oncles MES tentes et mes oncles MES tentes et mes oncles

MMMMes chers amis : SOFIANE, ALI, AMINE, SOFIANE, ALI, AMINE, SOFIANE, ALI, AMINE, SOFIANE, ALI, AMINE, NORDINE, BRAHIMNORDINE, BRAHIMNORDINE, BRAHIMNORDINE, BRAHIM,

KHALEDKHALEDKHALEDKHALED............

Introduction générale ........................................................................................................ 1

Chapitre I : Généralités sur les systèmes éoliens

I.1. Introduction ................................................................................................................... 3

Ι.2. Définition de l’énergie éolienne ................................................................................... 3

I.3. Développement de l’énergie éolienne .......................................................................... 4

I.4. développement de l’énergie éolienne en Algérie .......................................................... 5

Ι.5. Les différents composants d’une éolienne .................................................................... 6

Ι.6. Les différents types d’éoliennes .............................................................................................. 7

I.6.1. Les éoliennes à axe vertical ....................................................................................... 7

Ι.6.2. Les éoliennes à axe horizontal ................................................................................... 8

Ι.7. Emplacement des parcs éoliens .................................................................................... 10

Ι.8. La puissance disponible et la puissance prélevée au vent ............................................. 10

Ι.9. Générateurs électriques ................................................................................................. 12

Ι.9.1. Générateurs asynchrone ............................................................................................. 13

Ι.9.1.1. Générateurs asynchrone à cage d’écureuil (auto-excité) ........................................ 13

Ι.9.1.2. Générateurs asynchrone à double alimentation ...................................................... 15

Ι.9.1.3. Principe de fonctionnement .................................................................................... 16

Ι.9.1.4. Les différents types de machine asynchrone à double alimentation ....................... 17

Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipé ............. 17

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Kramer .................... 17

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Scherbius avec

cycloconvertisseur .................................................................................................. 18

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Scherbius avec

convertisseurs MLI ................................................................................................. 19

Ι.9.2. Générateur synchrone (Alternateur) ........................................................................ 20

Ι.9.2.1. Machine synchrone à rotor bobiné ou à aimants .................................................... 21

Ι.9.2.2. Machine synchrone à aimant permanant discoïde .................................................. 22

Ι.9. Conclusion .................................................................................................................... 23

Chapitre II : Modélisation de l’aérogénérateur

II.1. Introduction ................................................................................................................. 24

Partie I : Modélisation de la MADA

ΙI.I.1. Application des machines asynchrones à double alimentation ................................. 24

II.I.2. Les différents modes de fonctionnement de la machine à double alimentation ........ 25

ΙI. I.2.1. Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone ............................................... 25

ΙI.I.2.2. Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone.................................................... 25

II.I.2.3. Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone .......................................... 25

ΙI.I.2.4. Fonctionnement en mode générateur hyper synchrone .......................................... 26

ΙI.I.3. Avantages et inconvénients de la MADA ................................................................ 26

ΙI.I.3.1. Avantages de la MADA ........................................................................................ 26

ΙI.I.3.2. Inconvénients de la MADA ................................................................................... 27

ΙI.I.4. Modèle transitoire de la machine asynchrone ........................................................... 28

ΙI.I.4.1. Hypothèses de travail ............................................................................................. 28

ΙI.I.4.2. Equations générales de la machine asynchrone à double alimentation .................. 29

ΙI.I.5. Modèle diphasé (d,q) de la machine asynchrone en fonctionnement linéaire .......... 31

Partie II : Modélisation de la partie mécanique

II.II.1. Quelques définitions ................................................................................................ 35

II.II.2. Puissance récupérable par une turbine ..................................................................... 36

II.II.3. Le MPPT (Maximum Power Point Tracking) ......................................................... 38

II.II.4. Modèle du multiplicateur de vitesse .............................................................................. 39

II.II.5. Equation mécanique sur l’arbre à la sortie du multiplicateur ................................. 40

II.II.6. conclusion ................................................................................................................ 41

Chapitre III : Commande en puissance de la MADA

III.1. Introduction ................................................................................................................ 42

III.2. Principe du control vectoriel à flux orienté ................................................................ 42

III.3. Commande vectoriel de la MADA ............................................................................. 43

III.4. Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique .......................................... 44

III.4.1. Orientation du flux statorique ........................................................................................ 45

III.4.2. Relation entre le courant statorique et le courant rotorique .................................... 46

III.4.3. Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques ................................. 46

III.4.4. Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques ...................................... 47

Méthode directe .................................................................................................. 50

Méthode indirecte ................................................................................................ 50

III.5. Commande de la MADA ............................................................................................ 50

III.5.1. Mise en place de la régulation ................................................................................. 50

III.5.2. Synthèse de régulateur PI ........................................................................................ 52

III.6. Dispositif de puissance ............................................................................................... 55

III.6.1. Commande du convertisseur côté rotor (RSC) ....................................................... 55

III.6.2. Association onduleur MADA .................................................................................. 55

III.7. Modélisation de l’onduleur triphasé de tension ......................................................... 56

III.8. Conclusion .................................................................................................................. 59

Chapitre IV : simulations et résultats

IV.1. Introduction ................................................................................................................ 60

IV.2. Simulation de l’onduleur triphasé .............................................................................. 60

IV.3. Simulation du système éolien .................................................................................... 63

IV.3.1. Schémas bloc de la simulation ................................................................................ 63

IV.3.2. Résultats de la simulation ....................................................................................... 64

Modèle du vent ........................................................................................................ 64

IV.4. Conclusion ................................................................................................................. 69

Conclusion générale .......................................................................................................... 70

MADA Machine Asynchrone à Double Alimentation

s, r Indice du stator, du rotor

d, q Indice des composantes orthogonales directs et en quadrature

Rs, Rr Résistance statorique, rotorique

Ls ,Lr Inductances cycliques statorique et rotoriques de la machine

ls , lr Inductances propres statoriques et rotoriques de la machine

Msr Inductance mutuelle stator-rotor

Lm Inductance mutuelle maximum entre les enroulements du stator et rotor

∅, ∅ Flux statorique et rotorique

, Tension simple respectivement statorique et rotorique

Angle électrique statorique, rotorique

Pulsation statorique, rotorique

p Nombre de pair de pole

g Glissement

P Operateur de LAPLACE

Cem Couple électromagnétique

Couple résistant

Couple aérodynamique

F Coefficient de frottement visqueux

J Inertie de la machine

La puissance mécanique

Puissance active statorique

Puissance réactive statorique

Puissance active rotorique

Puissance réactive rotorique

∅, ∅, ∅ , ∅ Flux statorique et flux rotorique dans le repère (d q)

Puissance du vent

Masse volumique du vent

v Vitesse du vent

Coefficient de puissance

Β Angle de calage

Puissance de la turbine

S Surface balayée par la turbine

Λ Vitesse spécifique

Ω vitesse de la turbine

G Multiplicateur mécanique

Couple issu du multiplicateur

R Rayon de la turbine

MCC La machine à courant continu

Θ Angle de la transformation de Park

[P] Transformation de park directe

[ ] Transformation de park inverse

Puissance aérodynamique

Couple mécanique

Ω La vitesse de rotation de la MADA,

Puissance nominale de l’éolienne

MLI Modulation de Largeur d’Impulsions

PWM Pulse Width Modulation

Ki, Kp Gains du régulateur PI classique

RSC Rotor side converter

GSC Grid side converter

MPPT Maximum Power Point Trackin

Introduction générale

L’électricité est aujourd’hui la forme d’énergie la plus facile à exploiter.

Cependant pour la consommer il faut la produire d'abord, en général dans des unités

conventionnelles de production à grande puissance, soit par combustion des carburants

fossiles ou par fission nucléaire en utilisant des matières énergétiques comme de l’Uranium.

La peur de pénurie des matières fossiles et la crainte d’une pollution de plus en

plus envahissante et destructive pour l’environnement (les combustibles fossiles

contribuent environ de 40 % des émissions mondiales de CO2) .

Les risques exposés par les centrales nucléaires (comme la catastrophe de Tchernobyl

du 26 avril 1986 qui reste gravée dans la mémoire commune et celle du japon récemment), et

l'enfouissement des déchets suite aux procédés du traitement envisagés par ces dernières

sont des problèmes majeurs qui ont encouragé certains pays à aller vers une nouvelle

forme d'énergie dite renouvelable.

L’une des ressources renouvelables les plus utilisées est le vent. L’énergie

éolienne apparaît clairement en bonne place, non pas en remplacement des sources

conventionnelles, mais comme énergie d’apport complémentaire à l’énergie

traditionnelle. Les pays les plus avancés dans ce domaine sont l’Allemagne avec une

puissance installée de 14609 MW, l’Espagne 6202 MW, le Danemark 3110 MW, la

Hollande 912 MW et l’Amérique du Nord 6677 MW. Avec certains projets développés

‘Offshore’, des grandes centrales éoliennes fournissent de l’électricité dans certaines

parties du monde, à un prix concurrentiel à celui de l’énergie produite par les installations

conventionnelles. Malgré que l'Algérie est un pays faiblement venté, il reçoit quand même des

quantités d’énergie éolienne considérable dans pas mal de régions telles que les régions du

Grand Sud, Cette énergie peut être exploitée pour produire de l’énergie électrique.

Aujourd’hui, le développement des techniques d’extraction de puissances visant à

fiabiliser, minimiser les coûts (de fabrication, d’usage, et de recyclage), et augmenter

l’efficacité énergétique du système de conversion d’énergie éolienne, représente un axe

de recherche important dans ce domaine.

Actuellement, le système éolien à vitesse variable basé sur la Machine

Asynchrone à Double Alimentation (MADA) est le plus utilisé dans les fermes

éoliennes terrestres. Son principal avantage, et non des moindres, est d’avoir ses

convertisseurs statiques triphasés dimensionnés pour une partie de la puissance

nominale de la MADA, ce qui en fait un bénéfice économique important par rapport à

d’autres solutions possibles de conversion électromécanique .

Nous allons dans notre travail nous intéresser au fonctionnement des éoliennes en

générale et à la modélisation et la commande de leur générateur type (MADA) en particulier.

Dans le premier chapitre nous allons voir des généralités sur les systèmes éoliens, leur

développement ainsi que les différentes configurations de la Machine Asynchrone à Double

Alimentation.

Dans le deuxième chapitre nous allons établir un modèle de la MADA dans le repère

de PARK et aussi modéliser la partie mécanique de l’éolienne.

Dans le troisième chapitre nous allons mettre en place la commande vectorielle à flux

statorique orienté de la MADA, qui nous permettra de commander la MADA en puissance,

dimensionner les régulateurs type PI et nous allons modéliser l’onduleur de tensions triphasé.

Dans le quatrième nous mettrons en place une simulation sous MATLAB/SIMULINK

du fonctionnement d’une éolienne à base de MADA pour un profil du vent donné et nous

visualiserons les résultats de notre simulation.

I.1. Introduction

Après la crise pétrolière de 1974, beaucoup de pays, notamment les pays occidentaux

se sont lancés dans l’étude et l’expérimentation des éoliennes. On cherche surtout à les

utiliser pour produire de l’énergie électrique suivant le principe exploité dans toutes les

centrales électriques conventionnelles.

Dans ce chapitre, nous allons présenter des rappels sur les systèmes éoliens et leur

évolution dans le temps, les concepts physiques régissant leur fonctionnement, suivis d’un

rappel des différentes configurations possibles des systèmes éoliens et les convertisseurs qui

leur sont associés

I.2. Définition de l’énergie éolienne

Le vent est engendré par les variations de la densité et de la pression de l’air, dues au

réchauffement inégal de la terre par le soleil, et par la rotation de la terre; il s’agit donc d’une

ressource naturelle renouvelable. Le vent causé par le mouvement de l’air contient une grande

quantité d’énergie. Les moulins à vent ont servi pendant des milliers d’années à capturer une

partie de cette énergie pour accomplir différents travaux utiles. Ce n’est toutefois qu’au cours

des 40 dernières années environ que les éoliennes modernes ont commencé à transformer les

grandes quantités d’énergie contenues dans le vent en électricité. [5]

Les éoliennes modernes sont de plus en plus concurrentielles avec les sources

traditionnelles de production d’énergie. Elles ne sont plus une technologie expérimentale,

mais bien des appareils disponibles dans le commerce. Il est possible d’en installer une seule

ou d’en mettre plusieurs ensembles et de former ainsi un parc d’éoliennes. L’une des

certitudes de la transformation d’énergie éolienne en électricité est que l’air n’est pas un

fluide dense. Moins un fluide en mouvement est dense, plus il est difficile d’en extraire de

l’énergie utile. En réalité, l’eau est presque mille fois plus dense que l’air, ce qui explique

partiellement pourquoi les systèmes hydrauliques se sont développés plus rapidement que les

systèmes éoliens à l’échelle mondiale. Il y a eu, néanmoins, des progrès scientifiques

importants dans le domaine de la technologie des éoliennes, qui ont permis de transformer

efficacement le vent en électricité et de rendre l’« énergie éolienne » moderne presque aussi

concurrentielle que les sources d’ électricité traditionnelles au plan des prix. Cependant,

beaucoup de gens croient qu'une éolienne, c'est de la mécanique.

Pourtant, les éoliennes sont aussi et surtout des machines électriques, et les défis

techniques ou les coûts de réalisation d'une éolienne résident surtout désormais dans ce

domaine de l'électricité et de l'électronique. D'ailleurs, il vaudrait mieux parler de "centrale

éolienne", c'est à dire de l'ensemble des composants qui vous permettent de produire de

l'électricité, la turbine n'étant qu'une partie de cet ensemble.

I.3. Développement de l’énergie éolienne :

La demande croissante en énergie électrique dans le monde, le problème du

réchauffement climatique et les émissions de gaz à effet de serre sont des facteurs qui ont fait

de l’énergie éolienne une source d’énergie alternative et durable ,la comparant avec d’autres

sources d’énergie ,l’énergie éolienne est renouvelable et produit une énergie propre , elle est

devenue un moyen trop important dans la production de l’énergie électrique dans plusieurs

pays, l’électricité produite par l’énergie éolienne ces dernières années s’est considérablement

développée de manière très remarquable [14], La capacité mondiale a atteint 281 052 MW,

dont 43 891 MW ajoutés en 2012 avec un taux de croissance de 21,7 % ,L'ensemble des

éoliennes installées fin 2012 dans le Monde produit pré de 600 TWh par an, l'équivalent de la

demande totale en électricité de l'Italie, septième plus importante économie mondiale, et égale

2 % de la consommation électrique mondiale. [22]

Figure I.1 : Evolution des puissances éoliennes installées dans le monde

I.4. développement de l’énergie éolienne en Algérie

En Algérie, la première tentative de raccorder les éoliennes au réseau de distribution

d'énergie électrique date de 1957, avec l'installation d'un aérogénérateur de 100 kW sur le site

des Grands Vents (Alger). Conçu par l'ingénieur français ANDREAU, ce prototype avait été

installé initialement à St-Alban en Angleterre. Ce bipale de type pneumatique à pas variable

de 30m de haut avec un diamètre de 25 m fut racheté par Électricité et Gaz d'Algérie puis

démontée et installée en Algérie. [24]

Figure I.2 : Eolienne de 100 kW de Grand Vent

Actuellement, la puissance éolienne totale installée en Algérie est insignifiante.

Cependant, une première ferme éolienne de 10 MW de puissance est implantée à Adrar. Cette

ferme devait être fonctionnelle en 2012. Par ailleurs, le ministère de l’énergie et des mines a

projeté, dans son programme de développement des Énergies Renouvelables, d’installer sept

autres centrales éoliennes d’une puissance totale de 260 MW à moyen terme, pour atteindre

1700 MW à l’horizon 2030. Ce programme prévoit aussi de lancer l’industrialisation de

certains éléments ou composants d’aérogénérateurs, tels que les pales.

I.5. Les différents composants d’une éolienne

Les éoliennes sont constituées le plus généralement d’une hélice, d’une nacelle et

d’une tour :

♦ L’hélice est composée de pales qui transforment l’énergie présente dans le vent en un

mouvement rotatif qu’elles transmettent à l’alternateur couplé à l’hélice ; pour cela, les pales

se présentent obliquement au vent avec un angle appelé angle de calage, provoquant la

rotation par un effet de vis ou de tire-bouchon. La théorie (théorème de Betz) montre que,

pour récolter une puissance de rotation maximum, l'hélice doit réduire de trois fois la vitesse

du vent, et non pas l'arrêter. L'énergie récoltée dépend du cube de la vitesse et de la surface

balayée par l'hélice, donc du carré de son diamètre. La densité intervient également: de l'air

humide ou froid, une haute pression atmosphérique (basse altitude) seront des facteurs

favorables.

♦ La nacelle abrite l’alternateur ainsi que d’autres systèmes comme la boîte de vitesse et les

commandes des pales.

♦ La tour quant à elle, doit soutenir le poids de l’appareil et résister aux vibrations pendant

toute sa durée de vie. Elle est généralement construite en acier, creuse et renferme une

échelle qui permet l’accès à la nacelle pour d’éventuels entretiens. Toutefois il existe aussi

certaines tours construites sous forme de pylônes en treillis.

Figure I.3 : Eléments constituant une éolienne

I.6. Les différents types d’éoliennes

Les éoliennes se divisent en deux grandes familles : celles à axe vertical et celles à axe

horizontal.

I.6.1. Les éoliennes à axes vertical

Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire

de l’électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe

horizontal. Elles possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au

niveau du sol donc facilement accessibles. De nombreuses variantes ont été testées depuis les

années vingt, dont beaucoup sans succès, mais deux structures sont parvenues au stade de

l’industrialisation :

♦ Le rotor de Savonius (du nom de son inventeur, breveté en 1925) dont le

fonctionnement est basé sur le principe de "traînée différentielle" utilisé dans les

anémomètres. Les efforts exercés par le vent sur chacune des faces d'un corps creux sont

d'intensité différente, il en résulte alors un couple moteur entraînant la rotation de l'ensemble.

L'effet est ici renforcé par la circulation d'air entre deux demi-cylindres qui augmente le

couple moteur. [13]

Arbre

Pale

Multiplicateur

Système hydraulique

Moyeu

Anémomètre et girouette

Nacelle

Système de commande

Génératrice

Système de refroidissement

Système d’orientation

Arbre rapide Mât

Figure I.4 : Rotor de Dasrieus Figure I.5 : Rotor de Savonius

Les éoliennes à variation cyclique d'incidence dont la structure la plus répandue est

celle de Darrieus (ingénieur français qui déposa le brevet au début des années 30). Leur

fonctionnement est basé sur le fait qu'un profil placé dans un écoulement d'air selon différents

angles est soumis à des forces de direction et d'intensité variables.

La résultante de ces forces génère alors un couple moteur entraînant la rotation du dispositif.

Ces forces sont crées par la combinaison de la vitesse propre de déplacement du profil

et de la vitesse du vent. Cela signifie que la rotation du dispositif ne peut pas s'amorcer d'elle-

même. Lorsqu'elle est à l'arrêt, l'éolienne doit donc être lancée par un dispositif annexe

(montage d'une éolienne Savonius sur le même rotor ou utilisation de la génératrice en

moteur). Même si quelques grands projets industriels ont été réalisés, les éoliennes à axe

vertical restent toutefois marginales et peu utilisées voire actuellement abandonnées. En effet

la présence du capteur d'énergie près du sol l'expose aux turbulences et au gradient de vent ce

qui réduit son efficacité. Elles sont de plus exposées à des problèmes d'aéroélasticité dus aux

fortes contraintes qu'elles subissent. Enfin la surface qu'elles occupent au sol est très

importante pour les puissances élevées. [7]

I.6.2. Les éoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à

vent.

Elles sont constituées de plusieurs pales profilées de façon aérodynamique à la

manière des ailes d'avion. Dans ce cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion

en vol mais pour générer un couple moteur entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé

pour la production d'électricité varie classiquement entre 1 et 3, le rotor tripale étant le plus

utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de

rotation du capteur éolien. Ce type d'éolienne a pris le dessus sur celles à axe vertical car elles

représentent un coût moins important, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques

et la position du récepteur à plusieurs dizaines de mètres du sol privilégie l'efficacité.

Notons cependant que certains travaux défendent la fiabilité du rotor vertical en

réalisant des études multicritères. Les concepts abordés dans la suite de cette étude se

limiteront uniquement au cas des éoliennes à axe horizontal.

Figure I.6 : Eolienne à axe horizontal

I.7. Emplacement des parcs éoliens Le vent est un phénomène aléatoire, sa vitesse varie d’une journée à une autre, d’une

saison à une autre et d’une région à une autre. Cela est due aux phénomènes thermiques liés

au rayonnement solaire, la vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant

la journée à partir du lever de soleil. Les variations mensuelles et saisonnières de la vitesse

du vent dépendent du lieu géographique et sont différentes d’un site à un autre.

Le choix de l’emplacement des parcs est basé donc sur la recherche des sites la ou il y

a un niveau du vent suffisant tout au long de l’année pour permettre une production

maximale, généralement les cotes, les bords de mers, et les plateaux offrent des

caractéristiques intéressantes pour l’emplacement des aérogénérateurs. Cependant une

question qui se pose dont il faut tenir compte est celle de l’impact de ces parcs sur le paysage,

l’éolien offshore semble une solution. [14]

L’éolien offshore, semble une solution pour éviter la dégradation du paysage causée

par l’installation des parcs éoliens onshore, l’éolien offshore offre aussi des conditions très

intéressantes en terme du vent. La première ferme offshore mise en service était en 1991 en

mer baltique sur les cotes de Danemark, actuellement l’éolien offshore s’est largement

développé, World Wind Energy Association estime que la puissance totale offshore installée

en Europe en 2020 atteint 40GW.

Pour la réalisation de ces fermes éoliennes, en proche offshore, les mâts sont montés

sur des fondations ancrées dans le fond, mais lorsque l’on s’éloigne des côtes, il devient

difficilement concevable de conserver ces moyens. C’est ainsi que s’est développé le concept

d’offshore flottant, issu de la technologie des plates-formes pétrolières

I.8. La puissance disponible et la puissance prélevée au vent

Les éoliennes rapides ont un nombre de pales assez réduit, qui varie en général entre 2

et 4 pales. Elles sont les plus utilisées dans la production d’électricité en raison de leur

efficacité, de leur poids (moins lourdes comparées à une éolienne lente de même puissance)

et de leur rendement élevé. Le tableau ci-dessous propose une classification de ces turbines

selon la puissance qu’elles délivrent et le diamètre de leur hélice. A titre de comparaison, la

puissance d’une tranche de centrale nucléaire est de 1400 MW environ.

Echelle Diamètre de l’hélice

Puissance délivrée

Petite Mois de 12 m Moins de 40 KW

Moyenne 12 à 45 m 40 KW à 1 MW

Grande 46 m et plus Plus de 1 MW

La loi de la variation de la vitesse du vent V en fonction de la hauteur h est donnée par

l’expression suivante :

! " ## $%

: vitesse en m/s à la hauteur ho de référence au-dessus du sol

' : Coefficient caractéristique du lieu entre 0,1 et 0,4

La théorie globale du moteur éolien à axe horizontal a été établie par Betz. Il suppose

que les pales sont placées dans un air animé à l’infini amont d’une vitesse V1 et à l’infinie

aval d’une vitesse V2.

La production d’énergie ne peut se faire qu’au préjudice de l’énergie cinétique du

vent, la vitesse V2 est nécessairement inférieure à V1. Il en résulte que la veine fluide

traverse les pales en s’élargissant.

Désignons par V, la vitesse de l’ai r à la traversée de l’aéromoteur et par S la surface

balayée par les pales. L’égalité qui traduit l’incompressibilité de l’air et la permanence de

l’écoulement s’écrit :

(I-1)

( × ! ( × ! (* × *

Par ailleurs d’après le théorème d’Euler, la force exercée par les pales sur l’air en

mouvement est dirigée vers l’avant et égale en valeur absolue à :

+ ! , × - − */ ! , × ( × - − */

Et la puissance développée par la force F (c'est-à-dire par l’aéromoteur) dont le point

d’application se déplace à la vitesse V par rapport aux molécules d’air en mouvement est :

! + × ! , × ( × *- − */

Ainsi la puissance maximale susceptible d’être recueillie s’exprime par :

0 ! 16 275 × , × ( × 6

C’est la formule de Betz.

Avec: ρ : densité de l'air, environ 1,3 78 96⁄

S : surface balayée par l'hélice en 9*

V : vitesse du vent en m/s

P : puissance en Watts

Formule pratique pour une éolienne rapide à axe horizontal, tenant compte d'un rendement

moyen:

! 0,2 × <* × 6

D: diamètre de l'hélice en mètres

I.9. Générateurs électriques

On trouve plusieurs types de machine électriques utilisée sur les aérogénérateurs , mais les plus utilisées dans l ’ industrie éolienne sont les machines asynchrones et synchrones, qui sont illustrées ci-dessous .

(I-2)

(I-3)

(I-4)

(I-5)

(I-6)

I.9.1. Générateurs asynchrone

Il existe deux types de machine asynchrone : la machine asynchrone à cage d’écureuil et la machine asynchrone à rotor bobiné.

I .9.1.1. Générateurs asynchrone à cage d’écureuil (auto-excité)

Figure I.7 : Machine asynchrone à cage d’écureuil

Pour que la machine fonctionne en génératrice, il faut que le rotor tourne dans le sens

du champ tournant à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme (vitesse du champ

tournant) exprimée par l’équation suivante :

Ω ! 60>

Le rotor développe ainsi son propre champ magnétique. Lorsque cette génératrice est

connectée au réseau, il se met à tourner à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse

de rotation du champ magnétique dans le stator (fonctionnement de type « moteur »).

Si la vitesse de rotation du rotor devient égale (synchrone) à celle du champ magnétique,

aucune induction n’apparaît dans le rotor, et donc aucune interaction avec le stator. Enfin,

si la vitesse de rotation du rotor est légèrement supérieure à celle du champ magnétique

du stator, il se développe alors une force électromagnétique similaire à celle obtenue avec

un générateur synchrone. La différence (adimensionnée) entre la vitesse de rotation du

rotor et la vitesse de rotation du champ magnétique est appelée glissement, sa valeur ne

dépassant pas en pratique quelques pour-cent. Pour une augmentation limitée de la vitesse de

(I-7)

rotation de l’éolienne, le couple et donc la puissance fournie sont proportionnels au

glissement.

Toutefois, à partir d’une certaine vitesse de rotation, une diminution sensible du flux

dans la génératrice se produit, ce qui nécessite plus de courant pour un couple équivalent.

Passée une valeur maximale de couple, une diminution du couple et donc de la puissance est

observée. Il est dangereux que l’éolienne soit amenée à fonctionner dans cette zone, car d’une

part la diminution du couple résistant pourrait entraîner une survitesse de la machine et

d’autre part la dissipation de puissance dans la génératrice risquerait d’endommager certains

éléments par surchauffe. Il faut souligner l’intérêt de ce type de fonctionnement de la

génératrice asynchrone car il permet à l’éolienne de subir de faibles variations ponctuelles de

la vitesse du vent (rafales) sans solliciter exagérément la transmission (multiplicateur

notamment) [11]

Dans ce cas, le glissement g de la machine définie par :

? = Ω@ΩAΩ

En l’absence de réseau pilote, il est possible d’auto-exciter la génératrice asynchrone

au moyen de condensateurs, mais l’amorçage et la protection contre les surtensions de

résonance nécessitent une étude très soignée de l’installation.

Seul un dispositif basé sur une machine asynchrone auto-excitée par des

capacités directement connectées sur une charge permet d'obtenir un fonctionnement

purement autonome. Le phénomène d'auto-excitation est en revanche difficile à maîtriser car

les variations de charge influent directement sur les valeurs de la tension et la fréquence

délivrées. De plus, un dispositif d'orientation des pales de l'éolienne est nécessaire afin de

maintenir une vitesse de rotation et par conséquent une fréquence délivrée fixes.

(I-8)

Figure I.8 : Machine asynchrone auto-excitée

L'utilisation de la machine asynchrone auto-excitée dans un système éolien doit

prendre en considération les limites de fonctionnement observées. Celles-ci concernent

également les variations des tensions et de la fréquence lors des impacts de charge et

des éventuels écarts de vitesse dus à l'imprécision du dispositif d'orientation des pales

de l'éolienne. Les risques de démagnétisation en cas de surcharge de la machine sont

également à prendre en compte car ils nécessitent une intervention externe ou une phase

de fonctionnement spécifique afin de remagnétiser la machine.

Le principe de la machine asynchrone auto-excitée peut cependant être amélioré

grâce à un dispositif d'électronique de puissance. Toutefois, l’avantage de la simplicité est

alors perdu et il semble préférable de se tourner vers une autre structure.

I .9.1.2. Générateurs asynchrone à double alimentation (MADA)

Figure I.9 : Structure de la MADA à rotor bobiné

La machine asynchrone à double alimentation (MADA) avec rotor bobiné présente un

stator triphasé identique à celui des machines asynchrones classiques et un rotor contenant

également un bobinage triphasé accessible par trois bagues munies de contacts glissants.

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 on trouve cette génératrice pour la

production en forte puissance. [15]

I.9.1.3. Principe de fonctionnement

Les machines asynchrones à rotor bobiné permettent, par un réglage dynamique

du glissement, de s’adapter aux variations de puissance fournies par la turbine, augmentant

ainsi le rendement du système. Si pour les petites puissances (<500kW), la partie

mécanique peut généralement subir les variations brutales de régime de vent, ce type

de contraintes devient inacceptable pour les fortes puissances. La variation de vitesse devient

donc de plus en plus justifiée à mesure qu’on augmente la puissance de l’éolienne.

Pour expliquer son principe de fonctionnement, on néglige toutes les pertes. En

prenant en compte cette hypothèse, la puissance P est fournie au stator et traverse l’entrefer :

une partie de cette puissance fournie, (1-g)P, est retrouvée sous forme de puissance

mécanique ; le reste gP sort par les ballais sous forme de grandeurs alternatives de fréquence

gf. Ces grandeurs, de fréquence variable, sont transformées en énergie ayant la même

fréquence que le réseau électrique, auquel elle est renvoyée par l’intermédiaire du

deuxième convertisseur. Ce réseau reçoit donc (1+g)P. Les bobinages du rotor sont donc

accessibles grâce à un balai et de collecteurs. Une fois connecté au réseau un flux

magnétique tournant à vitesse fixe apparaît au stator. Ce flux dépend de la réluctance du

circuit magnétique, du nombre de spires dans le bobinage et donc du courant statorique.

I .9.1.4. Les différents types de Machine Asynchrone à Double Alimentation

On trouve plusieurs types de configuration et de structure de la machine asynchrone à

double alimentation (MADA), on peut en citer les suivantes :

Machine asynchrone à double alimentation à énergie rotorique dissipée

Cette configuration à vitesse variable est représentée sur la figure(I.10), le stator est

connecté directement au réseau et le rotor est connecté à un redresseur. Une charge résistive

est alors placée en sortie du redresseur par l'intermédiaire d'un hacheur à IGBT ou GTO. Le

contrôle de l'IGBT permet de faire varier l'énergie dissipée par le bobinage rotorique et de

fonctionner à vitesse variable en restant dans la partie stable de la caractéristique

couple/vitesse de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifié en fonction de la

vitesse de rotation du moteur.

Figure I.10 : MADA avec contrôle du glissement par dissipation de l'énergie rotorique

Si le glissement devient important, la puissance extraite du rotor est élevée et elle

est entièrement dissipée dans la résistance R, ce qui nuit au rendement du système. De plus

cela augmente la puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la taille de la résistance.

Machine asynchrone à double alimentation : structure de Kramer

Dans le but de réduire les pertes d’énergie dues à la structure du système précédent, le

hacheur et la résistance sont remplacées par un onduleur qui renvoie l’énergie de glissement

vers le réseau (structure de Kramer)

Figure I.11 : MADA, structure Kramer

L’ensemble redresseur-onduleur est alors dimensionné pour une fraction de la

puissance nominale de la machine. Ce système est avantageux et il permet de réduire

la taille du convertisseur par rapport à la puissance nominale de la machine. Afin de

respecter cette contrainte, le glissement est maintenu inférieur à 30%. L’utilisation de

thyristors pour l’onduleur nuit au facteur de puissance, de plus le redresseur est

unidirectionnel (transfert d’énergie uniquement du rotor de la machine vers le réseau) donc le

système ne peut produire de l’énergie que pour des vitesses de rotation supérieures à celle du

synchronisme. Cette solution n’est plus utilisée, au profit de la structure de Scherbius avec

convertisseurs à IGBT. [15]

Machine Asynchrone à Double Alimentation : Structure de Scherbius avec

cycloconvertisseur

Afin d'autoriser un flux d'énergie bidirectionnel entre le rotor et le réseau,

l'association redresseur-onduleur peut être remplacée par un cycloconvertisseur, l'ensemble

est alors appelé structure de Scherbius.

Figure I.12 : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur

La plage de variation de vitesse est doublée par rapport à la structure précédente. En effet

si la variation du glissement doit rester inférieure à 30% pour maintenir l'efficacité du

système, cette variation peut être positive (fonctionnement hyposynchrone) ou négative

(fonctionnement hypersynchrone).

Le principe du cycloconvertisseur est de prendre des fractions des tensions

sinusoïdales du réseau afin de reproduire une onde de fréquence inférieure. Son

utilisation génère par conséquent des perturbations harmoniques importantes qui nuisent

au facteur de puissance du dispositif. Les progrès de l’électronique de puissance ont

conduit au remplacement du cycloconvertisseur par une structure à deux convertisseurs à

IGBT commandés en MLI. [1]

Machine Asynchrone à Double Alimentation: structure de Scherbius avec convertisseurs

MLI

Cette configuration a les mêmes caractéristiques que la structure de Scherbius avec

cycloconvertisseur. Toutefois les interrupteurs utilisés ici (transistors IGBT) peuvent

être commandés à l'ouverture et à la fermeture et leur fréquence de commutation est plus

élevée que celle des GTO. L'utilisation de ce type de convertisseur permet d'obtenir des

allures de signaux de sortie en Modulation de Largeur d'Impulsions dont la modularité

permet de limiter les perturbations en modifiant le spectre fréquentiel du signal (rejet

des premiers harmoniques non nuls vers les fréquences élevées)

Figure I.13 : Structure de Scherbius avec convertisseurs MLI

Toutefois, malgré la présence de contacts glissants qui doivent être entretenus et

remplacés périodiquement, la conception de cette machine est plus conventionnelle et

plus simple que les autres types de MADA. Plusieurs études récentes, confirmées par

des réalisations industrielles, montrent la viabilité de ce dispositif dans un système éolien à

vitesse variable.

La bidirectionnalité du convertisseur rotorique autorise les fonctionnements hyper et

hyposynchrone et le contrôle du facteur de puissance côté réseau. Si le glissement reste

inférieur à ± 30 % autour du synchronisme, le convertisseur est alors dimensionné pour

un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes représentent moins de

1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de produire de

l'énergie du stator vers le réseau mais également du rotor vers le réseau. La puissance totale

ainsi produite peut alors dépasser la puissance nominale de la machine et le facteur de

puissance de l'ensemble peut être maintenu unitaire. La présence d'un convertisseur à

MLI peut toutefois entraîner des dv/dt importants dans les enroulements rotorique et faire

circuler des courants de fréquences élevés dans ces mêmes enroulements. [17]

I.9.2. Générateurs synchrone (alternateurs)

Les machines asynchrones présentent le défaut d’imposer la présence d’un

multiplicateur de vitesse et un couple insuffisant pour un couplage mécanique direct sur les

voilures éoliennes. Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples

très importants, elles peuvent donc être utilisées en entraînement direct sur les turbines

éoliennes. Les systèmes de ce type possèdent aussi leurs défauts, ils demandent un entretien

régulier des bagues et balais. Le couplage direct sur le réseau est proscrit car étant beaucoup

trop rigide, une électronique de puissance s’impose pour toutes les applications utilisant ce

type de machines qui sont à vitesse variable.

Les alternateurs de puissance sont construits avec un inducteur rotatif (pôles tournants) et un

induit fixe composé de trois enroulements triphasés. La figure suivante nous montre le

circuit équivalent d’un alternateur triphasé.

Figure I.14 : Alternateur synchrone triphasé à rotor bobiné

On trouve généralement les deux structures suivantes pour les alternateurs utilisés dans la production de l’énergie éolienne :

I.9.2.1.Machine synchrone à rotor bobiné

Dans une machine synchrone classique utilisée en alternateur, le champ créé par la

rotation du rotor doit tourner à la même vitesse que le champ statorique. Ainsi, si l'alternateur

est Connecté au réseau, sa vitesse de rotation doit être rigoureusement un sous-multiple de la

pulsation des courants statoriques. L'adaptation de cette machine à un système éolien pose des

problèmes pour maintenir la vitesse de rotation de l'éolienne strictement fixe et pour

synchroniser la machine avec le réseau lors des phases de connexion. Pour ces raisons, on

place systématiquement une interface d'électronique de puissance entre le stator de la machine

et le réseau, ce qui permet d'autoriser un fonctionnement à vitesse variable dans une large

plage de variation. [4]

Figure I.15 : Machine synchrone relié au réseau par dispositif redresseur-hacheur-onduleur PMW

L'exemple de la figure précédente présente une configuration classique d'interface de

connexion d'une machine synchrone au réseau. Le convertisseur connecté au stator de la

machine est un simple redresseur puisqu'elle n'absorbe pas de puissance réactive, ce qui

permet d'éviter les dv/dt importants sur les enroulements statoriques. Ce redresseur est

classiquement suivi d'un hacheur élévateur permettant de délivrer une tension suffisante à

l'onduleur MLI pour les faibles vitesses de rotation. La présence de l'onduleur MLI permet de

contrôler le facteur de puissance coté réseau. Ces convertisseurs sont toutefois dimensionnés

pour la totalité de la puissance nominale de la machine et entraînent jusqu'à 3% de cette

puissance de pertes. Notons que l'utilisation de machines synchrones à faible vitesse (grand

nombre de paire de pôles) permet de supprimer le multiplicateur de vitesse, pièce mécanique

complexe entraînant des pertes et des pannes fréquentes mais l'augmentation du nombre de

pôles implique une machine de très grand diamètre représentant un barrage important pour

l'écoulement du vent.

I.9.2.2.Machine synchrone à aimants permanents discoïde

La machine synchrone à aimants permanents et à entrefer axial dite "discoïde" peut

être constituée, dans sa structure élémentaire (étage), soit d’un disque rotorique entouré par

deux disques statoriques, soit de deux disques rotoriques entourant le disque statorique. Un

disque rotorique est constitué d’un circuit magnétique torique portant les aimants permanents

sur une ou deux faces. Le disque statorique est constitué d’un circuit magnétique torique à

section rectangulaire portant les bobinages statoriques. Ces derniers peuvent être enroulés

autour du tore statorique, ou encore, ils peuvent être logés dans des encoches disposées

radialement tout au long de l’entrefer. Cette structure axiale permet de réaliser une machine

modulaire en disposant plusieurs étages les uns à côté des autres et en les connectant en

parallèle. [2]

Nous pouvons trouver dans la littérature d’autres systèmes à machines spéciale dont

on peut citer machine à réluctance variable non excitée et machine à réluctance variable

excitée par des courants triphasés au stator.

I.10. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté un rappel sur les différents types d’éoliennes et

leur mode de fonctionnement, nous avons aussi détaillé les différentes configurations

possibles des systèmes éoliens et leur convertisseur associe, à savoir les systèmes utilisant la

machine asynchrone et les systèmes utilisant la machine synchrone.

Nous avons établi dans ce chapitre que l’éolienne a deux principaux modes de

fonctionnement soit connecté directement au réseau, soit en autonome. La machine

asynchrone à cage d’écureuil représente une solution importante vu son prix de revient qui est

relativement faible par rapport aux autres systèmes éoliens ,de plus l’absence des contacts

glissants rend sa maintenance facile et moins coûteuse ; cependant , pour pouvoir fonctionner

à vitesse variable ,l’insertion des convertisseurs de puissance entre la génératrice et le réseau

est une nécessité , mais leur présence nuit au rendement global de l’installation , nous avons

vu que la configuration du système éolien basé sur la machine asynchrone à double

alimentation donne un bon rapport entre la plage de variation de vitesse qu'il autorise et la

taille du convertisseur par rapport à la puissance nominale de la machine. Nous avons vu si le

glissement reste inférieur à ± 30 % autour du synchronisme, le convertisseur sera alors

dimensionné pour un tiers de la puissance nominale de la machine et ses pertes représentent

moins de 1% de cette puissance. De plus, le fonctionnement hypersynchrone permet de

produire de l'énergie du stator vers le réseau mais également du rotor vers le réseau .La

puissance totale ainsi produite peut alors dépasser la puissance nominale de la machine et le

facteur de puissance de l'ensemble peut être maintenu unitaire.

II.1. Introduction

La modélisation est la description mathématique d’un processus technique d’un

système c’est une étape très importante de l’étude préliminaire.

Dans ce chapitre, nous allons étudier et modéliser la machine asynchrone à double

alimentation en acceptant certaines hypothèses simplificatrices, en premier lieux, nous

utiliserons ensuite la transformation de PARK pour la facilité et la souplesse de son modèle.

Finalement on va étudier la partie mécanique d’une éolienne et construire un modèle

réduit de cette dernière.

Partie I : Modélisation de la MADA

II.I.1. Application des machines asynchrones à double alimentation

La première application importante de la MADA est le fonctionnement moteur sur

une grande plage de variation de la vitesse. Dans les machines synchrones classiques et

asynchrones à cage d'écureuil, la vitesse de rotation est directement dépendante de la

fréquence des courants des bobinages statoriques. La solution classique permettant alors le

fonctionnement à vitesse variable consiste à faire varier la fréquence d'alimentation de la

machine. Ceci est généralement réalisé par l'intermédiaire d'un redresseur puis d'un onduleur

commandé. Ces deux convertisseurs sont alors dimensionnés pour faire transiter la puissance

nominale de la machine. L'utilisation d'une MADA permet de réduire la taille de ces

convertisseurs d'environ 70 % en faisant varier la vitesse par action sur la fréquence

d'alimentation des enroulements rotoriques. [20]

Ce dispositif est par conséquent économique et, contrairement à la machine

asynchrone à cage, il n'est pas consommateur de puissance réactive et peut même être

fournisseur.

De la même manière la MADA peut fonctionner en génératrice, l'alimentation du

circuit rotorique à fréquence variable permet de délivrer une fréquence fixe au stator même

en cas de variation de vitesse, ce qui représente un avantage très important. Grâce à cet

avantage la MADA peut être utilisée dans la Génération des réseaux de bord des navires ou

des avions, dans les Centrales hydrauliques à débit et vitesse variable, Eoliennes ou turbines

marémotrices à vitesse variable, et comme Groupes électrogènes pour lesquels la réduction de

vitesse pendant les périodes de faible consommation permet de réduire sensiblement la

consommation de carburant.[4]

II.I.2. Les différents modes de fonctionnement de la machine à double alimentation

Comme la machine asynchrone classique, la MADA permet de fonctionner en moteur

ou en générateur mais la grande différence réside dans le fait que pour la MADA, ce n’est

plus la vitesse de rotation qui impose le mode de fonctionnement moteur ou générateur.

La machine à cage doit tourner en dessous de sa vitesse de synchronisme pour être en

moteur et au dessus pour être en générateur. Ici, c’est la commande des tensions rotoriques

qui permet de gérer le champ magnétique à 1’intérieur de la machine, offrant ainsi la

possibilité de fonctionner en hyper ou hypo synchronisme aussi bien en mode moteur qu’en

mode générateur. Nous allons présenter successivement ces différents modes de

fonctionnement.[23]

II.I.2.1. Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone.

La puissance est fournie par le réseau au stator et la puissance de glissement transite

par le rotor pour être réinjectée au réseau. On a donc un fonctionnement moteur en dessous de

la vitesse de synchronisme. La machine asynchrone à cage classique peut fonctionner ainsi

mais la puissance de glissement est alors dissipée en pertes Joule dans le rotor.

II.I.2.2. Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone.

La puissance est fournie par le réseau au stator et la puissance de glissement est

également fournie par le réseau au rotor. On a donc un fonctionnement moteur au dessus de la

vitesse de synchronisme. La machine asynchrone à cage classique ne peut pas avoir ce

fonctionnement.

II.I.2.3. Fonctionnement en mode générateur hypo synchrone

La puissance est fournie au réseau par le stator. La puissance de glissement est aussi

fournie par le stator. On a donc un fonctionnement générateur en dessous de la vitesse de

synchronisme. La machine asynchrone à cage classique ne peut pas avoir ce mode de

fonctionnement.

II.I.2.4. Fonctionnement en mode générateur hyper synchrone

La puissance est alors fournie au réseau par le stator et la puissance de glissement est

récupérée via le rotor pour être réinjectée au réseau. On a donc un fonctionnement générateur

au dessus de la vitesse de synchronisme. La machine asynchrone à cage classique peut avoir

ce mode de fonctionnement mais dans ce cas la puissance de glissement est dissipée en pertes

Joule dans le rotor.

La puissance totale produite par la MADA est la somme de la puissance statorique et

rotorique. Or, jusqu'au synchronisme, la puissance rotorique est négative, la MADA produit

donc légèrement moins que la machine à cage. En revanche, au-delà du synchronisme, la

MADA est capable de produire de l'énergie par l'intermédiaire du rotor jusqu'à 1900 tr/min

(vitesse de synchronisme + 30%).

Pour l’utilisation de la MADA dans les systèmes éoliens, la puissance totale produite

sera comprise entre 0.7 et 1.3 fois de la puissance nominale, Le convertisseur est alors

dimensionné pour faire transiter uniquement la puissance de glissement c'est à dire au

maximum 0,3 fois la puissance nominale de la machine, c'est-à-dire moins couteux ; engendre

moins de pertes en le comparant avec celui qui transite la totalité de la puissance et moins

volumineux ,ce qui représente un grand avantage pour les systèmes utilisant la MADA

comme génératrice.[19]

II.I.3. Avantages et inconvénients de la MADA

On va brièvement citer les différents avantages de la machine asynchrone à double

alimentation, et quelques inconvénients qu’elle présente.

II.I.3.1. Avantages de la MADA

La Machine Asynchrone à Double Alimentation présente plusieurs avantages dont on

peut citer :

Production de puissance électrique quelle que soit sa vitesse de rotation (hypo en

hyper) et la récupération de la puissance de glissement, la puissance produite peut

atteindre 1.3 de la puissance nominale sans être surchauffée.

La mesure des courants au stator et rotor, contrairement à la machine à cage, donnant

ainsi une plus grande flexibilité et précision au contrôle du flux et du couple

électromagnétique.

Les convertisseurs utilisés sont dimensionnés que pour une fraction de la puissance de

la machine (30%) contrairement au système utilisant la machine asynchrone à cage

d’écureuil ou le convertisseur est dimensionné pour la totalité de la puissance de la

machine.

Le partage des fréquences entre le stator et le rotor : en effet, dans le cas d’une double

alimentation, il est possible et recommandé de partager la fréquence de rotation du

rotor entre les deux convertisseurs alimentant la machine, réduisant ainsi les pertes fer

de la machine et augmentant son rendement.

En fonctionnement générateur, l'alimentation du circuit rotorique à fréquence variable

permet de délivrer une fréquence fixe au stator même en cas de variation de vitesse.

Ce fonctionnement présente la MADA comme une alternative sérieuse aux machines

synchrones classiques dans de nombreux systèmes de production d'énergie

décentralisée

La possibilité de fonctionner à couple constant au-delà de la vitesse nominale.

II.I.3.2. Inconvénients de la MADA :

Machine plus volumineuse que celle à cage, généralement elle est plus longue à causes

des balais.

Nous utilisons un nombre des convertisseurs (deux redresseurs et deux onduleurs ou

un redresseur et deux onduleurs) plus importants que la machine à cage (un redresseur

et un onduleur).

La présence des balais nécessite des interventions périodiques, ce qui augmente le

coût de la maintenance.

Le coût total de la machine asservie est plus important que celui de la machine à cage.

Nous soulignons que des études récentes, tenant compte de la chute du prix du silicium,

donnent maintenant un petit avantage à la MADA.[18]

II.I.4. Modèle transitoire de la machine asynchrone

Il nous faut un modèle de la machine asynchrone qui permet de simuler son

fonctionnement en régime transitoire et qui permet de déboucher sur une commande suivant

un schéma de contrôle vectoriel directe et indirect par orientation du flux statorique.

II.5.1. Hypothèses de travail

Pour l'étude de la génératrice asynchrone à double alimentation idéalisée, on

introduit les hypothèses simplificatrices suivantes :

- L'entrefer est d'épaisseur uniforme et l'effet d'encochage est négligeable.

- La saturation de circuit magnétique, l'hystérésis et les courant de Foucault

sont négligeables.

- Les résistances des enroulements ne varient pas avec la température et on

néglige l'effet de pau .

- On admet de plus que la f.m.m créée par chacune des armatures est à

répartition sinusoïdale .

- On considère que la machine fonctionne en régime équilibré.

Parmi les conséquences importantes de ces hypothèses, on peut citer :

- L'additivité des flux.

- La constance d'inductances propres.

- La loi de variation sinusoïdale des inductances mutuelles entre les

enroulements du stator et du rotor en fonction de l'angle de leurs axes magnétiques.[9]

II.I.4.2. Equations générales de la machine asynchrone à double alimentation :

Les équations générales de la machine asynchrone à double alimentation dans un

repère triphasé s’écrivent sous forme matricielle :

Figure II.1 : Représentation de la machine asynchrone à double alimentation

as, bs, cs : phases du stator et Ar, Br, Cr: phases du rotor.

Equations électriques :

B = CDB E FFG ∅B HIJ = CDHIJ E ∅HIJ

Equations magnétiques :

∅B = KDB E LDHIJ ∅HIJ = KDHIJ E LDB

Avec Cet C sont respectivement les matrices les résistances statorique et

rotorique par phase.

B, HIJ,DBet DHIJ sont respectivement les vecteurs tensions et

courants statorique et rotorique.

(II-1)

(II-2)

(II-3)

MB, [MHIJ,sont les matrices des flux statorique et rotorique suivant les axes a,

b, c et A, B, C.

Les flux s’expriment en fonction des courants en faisant intervenir les différentes

inductances :

N,N: Inductances propres statorique et rotorique

N : Inductances mutuelles maximale entre une phase statorique et une phase rotorique

L: Matrice inductance mutuelle entre une phase statorique et une phase rotorique.

Aussi : K et K représentent respectivement les matrices inductances statorique et

rotorique exprimées en fonction des inductances propres et mutuelles.

Les matrices ont pour formulations plus explicites les expressions suivantes :

B = OB P HIJ = OHIJP QDBR = ODDBDP DHIJ = ODHDIDJP QMSTUR = VMSMTMUW MHIJ = OMHMIMJP K = ON NB NBNB N NBNB NB NP K = ONHH NHI NHINHI NHH NHINHI NHI NHHP

L = NXYYYZ cos() cos( E *6 ) cos( − *_6 )cos( − *_6 ) cos() cos( E *6 )cos( E *6 ) cos( − *_6 ) cos() aa

ab

C = O 0 00 00 0 P C = O 0 00 00 0

P

Equations mécaniques :

Le fonctionnement d’une charge mécanique en rotation est régi par l’équation

fondamentale suivante :

Cmec-Cem=Jc +>d

Avec:

d=efg

d: Pulsation mécanique du rotor.

h: Pulsation électrique du rotor.

II.I.5. Modèle diphasé (d,q) de la machine asynchrone en fonctionnement linéaire

La machine asynchrone est une machine fortement couplée, sa représentation

dans le système triphasé est par conséquent particulièrement complexe. Pour mieux

représenter le comportement d’une machine asynchrone, il est nécessaire de faire appel à un

modèle précis et suffisamment simple. Le modèle diphasé (d, q) donné par la transformation

de Park est alors utilisé [2]. Le nouveau modèle est obtenu en multipliant les équations des

flux et des tensions par la matrice de Park qui s’exprime par :

i(j) = klmXYYYYYYZcos(') cos(' − 2π3 ) cos(' E 2p3 )cos(') cos(' − 2π3 ) cos(' E 2p3 )k12 k12 k12 aa

aaaab

Avec ∝ : angle entre l’axe d et l’axe as pour une transformation au stator ou l’angle entre

d et Ar pour une transformation au rotor.

Les grandeurs (courants, tensions et flux) transformées, du système diphasé sont égales à la

matrice de Park multipliée par les grandeurs du système triphasé :

QrR = ()rB QrR = ( − )rHIJ

(II-4)

(II-5)

(II-6)

(II-7)

Equations électrique dans le nouveau repère (dq) :

Au stator :

= D E ∅ − h∅ = D E FFG Q∅R E h∅

Au rotor :

= D E ∅ − (hh)∅ = D E Q∅R E (hh)∅

Equations magnétique dans le nouveau repère (dq) :

Au stator :

∅ = KD ELD ∅ = KD ELD

Au rotor :

∅ = KD ELD ∅ = KD ELD

Avec :

= (sS, sF/ ! -st, sF/ ! -sS, st/

h ! uv h ! u h ! uf

h:vitesse angulaire électrique du repère (d,q) par rapport au stator.

(II-8)

(II-9)

(II-10)

(II-11)

(II-12)

(II-13)

(II-14)

(II-15)

Figure II.2 : Représentation de la machine dans le repère (d,q)

Il est plus intéressant d’écrire les équations dans un référentiel lié soit au stator, soit au

rotor ou au champ tournant, selon les objectifs de l’application.

Dans chacun de ces nouveaux référentiels, les équations de la machine deviennent plus

simples que dans le référentiel quelconque.

Le choix du référentiel se fait en fonction de la valeur de h : h ! h: correspond au référentiel lié au champ tournant.

h ! h: correspond au référentiel lié au rotor.

h ! 0: correspond au référentiel stationnaire.

Equation électromagnétique :

Le couple électromagnétique développé par le champ tournant es donné par :[16]

= 3 25 xy∅ D . ∅Dz

En explicitant les flux statoriques et rotoriques en fonction des inductances, on vérifie que :

! 3 25 xLyD D . DDz

(II-16)

(II-17)

On pose : 3 25 L = L inductance magnétisante, donc on aura :

= xL K5 y∅D − ∅Dz ! x L K5 y∅D − ∅Dz

Cette relation met en évidence le fait que le couple résulte de l’interaction de composantes des

courants statorique et rotorique en quadrature.

Partie II : Modélisation de la partie mécanique

II.II.1. Quelques définitions

Une éolienne capte l'énergie cinétique du vent et la convertie en un couple qui fait

tourner les pales du rotor. Trois facteurs déterminent le rapport entre l'énergie du vent et

l'énergie mécanique récupérée par le rotor : la densité de l'air, la surface balayée par le rotor et

la vitesse du vent.[12]

La surface balayée par le rotor

(II-18)

L'énergie récupérable par une éolienne dépend en effet de la surface balayée par son

rotor, donc de la longueur des pales, cela découle de l’équation de puissance aérodynamique.

La densité de l'air

L'énergie cinétique contenue dans un objet en déplacement est proportionnelle à sa

masse volumique (ou son poids). Elle dépend donc de la densité de l'air, c.-à-d. la masse de

l'air par unité de volume. Autrement dit, plus l'air est dense, plus la partie de l'énergie

récupérable par l'éolienne est importante.[12]

A une pression atmosphérique normale et à une température de 15 degrés Celsius, l'air

pèse environ 1,225 kg par mètre cube. Cependant, la densité diminue un peu lorsque

l'humidité de l'air augmente. De même, l'air froid est plus dense que l'air chaud, tout comme

la densité de l'air est plus faible à des altitudes élevées (dans les montagnes) à cause de la

pression atmosphérique plus basse qui y règne.

La Vitesse du vent

La variation journalière de la vitesse du vent est due aux phénomènes thermiques liés

au rayonnement solaire. La vitesse moyenne du vent varie peu la nuit et augmente pendant la

journée à partir du lever du soleil. Les variations saisonnières ou mensuelles de la vitesse du

vent dépendent du lieu géographique et différent d’un site à un autre. Seuls les relevés

météorologiques des paramètres vent sur une longue période peuvent caractériser ces

variations.

II.II.2. Puissance récupérable par une turbine

Soit une turbine qui comporte trois pales de longueur R, fixées sur un arbre

d’entraînement tournant à une vitesseΩB, qui entraîne une génératrice à travers un

multiplicateur de vitesse de gain G. La figure suivante montre le schéma de cette turbine

éolienne. [6]

Figure II.3 : Schéma de la turbine éolienne

L'énergie mécanique de l’éolienne provient de l'énergie cinétique du vent. En

effet, si nous considérons une masse d'air, m, qui se déplace avec la vitesse |, l'énergie

cinétique de cette masse est donnée par :

= ~9|* Si, pendant l’unité de temps, cette énergie pouvait être complètement récupérée à

l'aide d'une hélice qui balaie une surface S, située perpendiculairement à la direction de la

vitesse du vent, la puissance instantanée fournie serait :

0 = = ~|* V : volume de la mase d’aire qui traverse la turbine.

: masse volumique de l’aire

0 = *G|* Q : débit de l’aire qui traverse la turbine.

0 = ~(||* = ~(|6=~pC*|6 D’après la relation précédente, on remarque que la puissance est directement

proportionnelle à la surface balayée par le rotor, mais surtout au cube de la vitesse du vent.

Toutefois, toute l'énergie ne peut être captée, on ne peut pas extraire la totalité de la

puissance car la vitesse du vent n'est pas nulle après l'éolienne. On introduit alors un

coefficient Cp, qui dépend des caractéristiques aérodynamiques des pales. Ce coefficient

(II-19)

(II-20)

(II-21)

(II-22)

correspond au rendement du rotor de l’éolienne. La puissance sur l'arbre du rotor ou la

puissance aérodynamique apparaissant au niveau du rotor de la turbine s’écrit :[6]

= 0 = * pC*|6(, ) : coefficient de puissance

β : angle d’orientation des pales.

λ : est le ratio de vitesse défini comme étant le rapport entre la vitesse linéaire a l’extrémité

des pales, et la vitesse du vent V.

= ΩBC|

Figure II.4 : Puissance théorique disponible d’une éolienne donnée pour différentes vitesse du vent

Le coefficient de puissance est donné par la relation suivante (on prend = 0):[3]

= 0.35 − 0.00167- . 2/ p- E 0.1/14.34 . 0.3- . 2/ . 0.00184- . 3/- . 2/

Pour les autres valeurs de l’angle, le coefficient de puissance est illustré par la figure ci-

dessous.

Pu

issa

nce

uti

le

Vitesse de rotation

(II-23)

(II-24)

(II-25)

Figure II.5 : Le coefficient de puissance pour différentes valeurs de

II.II.3. Le MPPT (Maximum Power Point Tracking)

Le MPPT (Maximum Power Point Tracking) est un principe permettant de suivre le point de

puissance maximale d'un générateur électrique pour une source variante (par exemple la

vitesse du vent dans le cas d’une éolienne). Les systèmes MPPT sont généralement associés

avec les générateurs photovoltaïques ou générateurs éoliens. Le MPPT a été créé pour avoir la

meilleure connexion possible entre la source non linéaire et le réseau et ainsi toujours extraire

le maximum de puissance.[14]

II.II.4. Modèle du multiplicateur de vitesse

vue que la vitesse de rotation de la turbine éolienne ne dépasse pas quelques dizaine de tour

par minute, et que la génératrice a besoin d’une grande vitesse d’entrainement pour pouvoir

générer des tensions de même fréquence que le réseau, avec un nombre de paires de pôles

réduit, on utilise un multiplicateur de vitesse qui permet de transférer la puissance disponible

sur l’arbre lent vers l’arbre rapide, avec des pertes mécanique minimes.

Cp

Les multiplicateurs utilisés actuellement comportent généralement deux à trois trains

d’engrenages épicycloïdaux permettant d’obtenir des rapports de multiplications de l’ordre de

100.ces engrenages sont générateurs de bruit et de pertes mécaniques.[17]

Pour pouvoir le modéliser, nous allons utiliser un gain de vitesse G qui correspond au

rapport de multiplication.

= 8

Avec : : couple issue du multiplicateur.

: couple aérodynamique de la turbine.

G : gain du multiplicateur.

On aura aussi le rapport de transformation de la vitesse :

dB = d8

Avec :

ΩB : vitesse de rotation de la turbine

Ω : vitesse de rotation issue du multiplicateur

II.II.5. Equation mécanique sur l’arbre à la sortie du multiplicateur

Le fonctionnement d’une génératrice entrainé par un couple mécanique est régit par

l’équation fondamentale suivante :

= é = E C E c

= E >Ω E FdFG

(II-26)

(II-27)

(II-28)

: représente le moment d’inertie de la turbine équivalant ramené à l’arbre d’entrainement

de la génératrice asynchrone.

> : coefficient des frottements visqueux

:le couple mécanique.

: le couple électromagnétique.

: le couple a la sortie du multiplicateur.

Ω : pulsation mécanique de l’arbre de la génératrice.

Modèle de la partie mécanique de l’éolienne

Figure II.6 : Schémas block de la partie mécanique

II.II.6. conclusion

Nous avons présenté dans ce chapitre, deux parties, la première concerne l’étude de la

machine asynchrone à double alimentation, des généralités sur la MADA ainsi que ses

différents modes de fonctionnement.

Afin de pouvoir représenter le modèle de la machine asynchrone à double alimentation

dans le repère (d-q), nous avons fait appel à la transformation de Park qui nous a simplifie

notre système, tout en tenant compte des hypothèses simplificatrices.

La deuxième partie, consiste dans l’étude et la modélisation de la partie mécanique de

l’éolienne, avec ses différents éléments.

Le modèle de la MADA élaboré dans ce chapitre sera utilisé dans le chapitre suivant,

où nous présenterons la commande en puissance active et réactive de MADA.

III.1. Introduction

La commande vectorielle par orientation du flux présente une solution attractive pour

réaliser de meilleures performances dans les applications à vitesse variable pour le cas de la

machine asynchrone double alimentée aussi bien en fonctionnement générateur que moteur.

Dans ce chapitre, nous allons étudier la commande vectorielle de la MADA basée sur

l’orientation du flux statorique, utilisée pour la faire fonctionner en génératrice intégrée dans

système éolien. Cette dernière met en évidence les relations entre les grandeurs statoriques et

rotoriques. Ces relations vont permettre d'agir sur les signaux rotoriques en vue de contrôler

l'échange de puissance active et réactive entre le stator de la machine et le réseau.la

commande à flux orienté permet ainsi de considérer la MADA comme une machine a courant

continu, c’est à dire réaliser un control similaire à celui d’une machine à courant continu à

excitation séparée.

Enfin nous allons mettre en place une simulation de tout le système global en utilisant

le logiciel MATLAB-SIMULINK.

III.2. Principe du control vectoriel à flux orienté

Dans le cas de la machine à courant continu, le courant inducteur control le flux et le

courant d’induit contrôle le couple, il s’agit de placer le référentiel (dq) de sorte que le flux

soit aligné sur l’axe direct (d), ainsi le flux est commandé par la composante direct du courant

et le couple par l’autre composante.

Lors de la modélisation de la machine asynchrone à double alimentation dans un

repère lié au champ tournant, champs statorique et champ rotorique de la machine tournent à

vitesse du référentiel (dq) par rapport au stator.[17]

L’orientation de l’un de ces trois champs suivant l’axe (d) du référentiel constitue le

principe de base de la commande vectorielle.

Figure III.1 : Equivalence entre la commande d’une MCC et la commande vectorielle d’une MADA

Le couple électromagnétique de la machine à courant continu :

= 7∅D

∅ = 7D

L’expression du dans la machine asynchrone à double alimentation dans la

chapitre II est :

= xLK yD∅ − D∅z Dans ce cas la machine est modélisée en moteur, en génératrice le prend un signe (-) et

servira à modéliser la machine en génératrice.

= −xLK yD∅ − D∅z En se basant sur cette équation on peut réaliser un découplage de telle sorte que le

couple soit commandé uniquement par le courant rotorique en quadratureD.

(III-1)

(III-2)

(III-3)

(III-4)

III.3. Commande vectoriel de la MADA

La méthode du flux orienté est basée sur le choix du repère de référence, En parlant

d’orientation du flux, c’est plutôt le système d’axe (d,q) que l’on oriente de manière à ce que

l’axe (d) soit en phase avec le flux. [2]

En choisissant le repère lié au champ tournant, il découle que le flux à orienter

(statorique, rotorique ou d’entrefer) doit coïncider avec l’axe (d).

Afin d’obtenir un couple maximale il faut imposer l’une des conditions suivantes :

Orientation du flux rotorique :

∅ ! ∅

∅ ! 0

∅ : flux rotorique.

Orientation du flux statorique :

∅ ! ∅

∅ ! 0

∅ : flux rotorique.

Orientation du flux d’entrefer :

∅ ! ∅

∅ ! 0

∅ : flux d’entrefer ou flux magnétisant.

III.4. Modèle de la MADA avec orientation du flux statorique :

On rappelle d’abord le système d'équations différentielles de la machine sans

orientation du flux statorique.

! D + [∅ ] − h∅

! D + Q∅ R + h∅

! D + FFG [∅ ] − -hh/∅

! D + FFG Q∅ R + -hh/∅

III.4.1. Orientation du flux statorique

(III-5)

(III-6)

(III-7)

(III-8)

On choisit un référentiel diphasé (dq) lié au champ statorique et on aligne le vecteur

flux statorique sur l’axe (d) du référentiel.

Figure III.2 : Orientation du flux statorique selon l’axe (d)

On aura : ∅ = ∅G∅ = 0

Et le couple électromagnétique aura pour expression :

= xLK yD∅z

Si on considère que le réseau électrique est stable, le flux ∅ sera constant, il en résulte que le couple et la puissance active dépendent uniquement de D.

Les équations électriques au stator dans les axes a,b,c s’expriment par :

OB P=O 0 00 00 0 P O

DDBDPE OMMBM P

Si on néglige la chute de tension aux bornes de devant la f.e.m de rotation (cas des machines de moyenne et forte puissance utilisé dans les éoliennes) les équations électriques deviennent :

OB P= OMMBMP

(III-9)

∅

Ce qui montre que le vecteur tension statorique est en avance de p 2⁄ par rapport au flux

En utilisant les simplifications ci-dessus, nous pouvons simplifier les équations des tensions et des flux statoriques comme suit :

= 0 et = = h∅=h∅

∅ ! KD + LD ! ∅

∅ ! KD + LD=0

III.4.2. Relation entre le courant statorique et le courant rotorique

A partir des équations des composantes directes et quadrature du flux statoriques,

Nous pouvons écrire les équations liant les courants statoriques aux courants rotoriques :

D ! ∅vv − v D

D ! − v D

III.4.3. Relations entre puissances statoriques et courants rotoriques

Dans un repère diphasé, les puissances active et réactive statoriques d’une machine asynchrone s’écrivent :

! D + D

! D − D

L'adaptation de ces équations au système d'axe choisi et aux hypothèses

simplificatrices effectuées dans notre cas ( ! 0) donne :

! D

! D

En remplaçant D et D par leur expression donnée à l'équation (III-12-13), nous obtenons :

! − LK D

(III-11)

(III-10)

(III-12)

(III-13)

(III-14)

(III-15)

(III-16)

(III-17)

(III-18)

(III-19)

= ∅K − LK D

On a : =h∅ donc ∅!vev L’expression de la puissance réactive Qs devient alors :

= *hK − LK D Compte tenu du repère choisi et des approximations faites, et si l'on considère

l'inductance magnétisante M comme constante, le système obtenu lie de façon proportionnelle

à la puissance active au courant rotorique d'axe (q) et la puissance réactive au courant

rotorique d'axe (d) à la constante vevv près imposée par le réseau.

III.4.4. Relations entre tensions rotoriques et courants rotoriques

D’abord, pour les flux on a au stator :

∅ ! KD + LD

∅ ! KD + LD

Et au rotor :

∅ ! KD + LD

∅ ! KD + LD

En remplaçant les courants statoriques par leurs expressions, on aura :

∅ ! -K − L*K /D + LKh

∅ ! -K − L*K /D

Ces expressions des flux rotoriques d'axe (d) et (q) sont alors intégrées aux

expressions tensions rotoriques diphasées de l'équation (III.8). Nous obtenons alors :

! CD + K − v f − ?h K −

v D

(III-18)

(III-20)

(III-21)

(III-22)

= CD E K − v f E ?h K −

v D E ?h vevv

En appliquant la transformation de Laplace à ces deux équations, on obtient :

= CD E K − v × D − ?h K −

v D

= CD E K − v × D E ?h K −

v D E ?h vevv

et sont les composantes déphasées des tensions rotoriques à imposer à la

machine pour obtenir les courants rotoriques voulus.

K − v est le terme de couplage entre les deux axes.

?h K − v représente une force électromotrice dépendante de la vitesse de rotation.

Les équations (III.21), (III.22) permettent d'établir un schéma bloc du système électrique à

réguler

A partir des équations que nous venons d'élaborer, nous pouvons établir les relations

entres les tensions appliquées au rotor de la machine et les puissances statoriques que cela

engendre, la figure ci-dessous décrit le schéma bloc de la machine asynchrone à double

alimentation.

Figure III.3 : Schéma block du système à réguler

Ce schéma fait apparaitre des fonction de transfert du premier ordre pour les deux axes

liant les tensions rotorique aux puissances active et réactive statoriques, du fait de la faible

valeur du glissement g, il sera possible d’établir une commande vectorielle car les influences

des couplages resteront faibles et les axes (d et q) pourront être commandé séparément avec

chacun son propre régulateur , les grandeurs de référence pour ces régulateurs sont : la

puissance active pour l’axe (q) et la puissance réactive pour l’axe (d).

La consigne de puissance réactive sera maintenue nulle pour assurer un facteur de

puissance unitaire côté stator de façon à optimiser la qualité de l’énergie renvoyée au réseau.

La consigne de puissance active devra permettre de garder le coefficient de puissance de

l’éolienne optimal.

Il apparait deux solutions pour effectuer la commande en puissance de cette machine :

Méthode directe : consiste a négliger les termes de couplage entre les deux axes et a

mettre en place un régulateur indépendant sur chaque axe pour contrôler

indépendamment les puissances active et réactive, elle est dite méthode directe car les

régulateurs de puissance contrôlent directement les tensions rotorique de la machine.

Méthode indirecte : consiste à tenir compte des termes de couplage entre les deux

axes, et à les compenser en effectuant un système comportant deux boucles permettant

de contrôler les puissances active et réactive et les courants rotoriques, c’est pourquoi

on l’appelle ainsi.

C’est la méthode directe que nous allons étudier et simuler, son intérêt est que sa mise en

place est simple par contre la méthode indirecte qui est plus complexe a l’avantage de

contrôler les courants rotoriques ce qui permet d’avoir une protection de la machine en

limitant ces courants.

III.5. Commande de la MADA

Dans cette section, nous allons présenter la régulation des puissances actives et

réactives, en utilisant les équations précédentes, il a été mis en évidence le lien entre, d’une

part la puissance active et la tension et d’autre part entre la puissance réactive et la

tension . III.5.1. Mise en place de la régulation

Afin de déterminer les éléments à mettre en place dans la boucle de régulation. Si l’on

regarde la relation qui lie les courants rotoriques aux puissances statoriques, on voit

apparaître le terme (MVs /Ls). Dans notre étude, nous avons considéré que l’éolienne était

raccordée à un réseau de forte puissance et stable, ce terme donc est constant, nous ne

placerons donc pas de régulateurs entre les courants rotoriques et les puissances.

Pour réguler la machine, nous allons mettre en place une boucle de régulation sur

chaque puissance avec un régulateur indépendant tout en compensant les termes de

perturbations qui sont présent dans le schéma bloc de la figure (III.3).

Nous négligerons les termes de couplage entre les deux axes de contrôle du fait de la

faible valeur du glissement .nous obtenons une commande vectorielle avec un seul régulateur

par axe, présenté sur la figure (III.4).

Figure III.4 : Schéma bloc de la commande directe

Figure III.5 : Schéma bloc de la commande indirecte sans boucle de puissance

(III-23)

(III-24)

III.5.2. Synthèse de régulateur PI

Nous allons procéder à la synthèse des régulateurs nécessaires à la réalisation de

la commande en puissance active et réactive de la MADA. Le régulateur Proportionnel

Intégral (PI) reste le plus communément utilisé pour la commande de la MADA en

génératrice [16], ainsi que dans de nombreux systèmes de régulation industrielle. Il est simple

et rapide à mettre en œuvre tout en offrant des performances acceptables. [1]

Les régulateurs de chaque axe ont pour rôle d’éliminer l’écart entre les puissances

actives et réactives de références et la puissance active et réactive mesurée.

Pour notre système, la fonction de transfert du régulateur est donnée par:

Figure III.7 : Schéma bloc du système à réguler en boucle ouverte

7 E 7 = 7 1 E 77 = 7 E 77 = E 77 7

La fonction de transfert en boucle ouverte FBO.

+I = E 77 7 × −LCK E K(K − L2K )

= E 77x 7x ×−LK(K −L*K ) E KCK(K −L*K )

A fin d'éliminer le zéro présent sur la fonction de transfert, nous choisissons la méthode de compensation des pôles pour la synthèse du régulateur, ce qui nous donne l’égalité suivante :

−LCK E (K −L*K ) 7 E 7

(III-25)

77 = C(K − L2K )

La fonction en boucle ouverte FBO devient :

+I = 7 × −LK(K − L2K )

La fonction de transfert en boucle fermée FTBF est :

Figure III.8 : Schéma bloc du système à réguler en boucle fermée

+I¡ = +I 1 E +I =7 × −LK(K − L2K )1 E 7 × −LK(K −L2K )

+I¡ = 11 E −17 K(K −

L2K )L = 11 E ¢

On déduit :

¢ = −17K(K − L2K )L

Le terme ¢ désigne ici le temps de réponse du système. Généralement pour ce type de

calcul on prend le ¢=3¢I c'est connu et on peut le prouver. Nous choisissons de fixer

−LCK E (K −L*K ) 7 E 7

(III-26)

(III-27)

celui-ci à 10 ms, ce qui représente une valeur suffisamment rapide pour l'application de

production d'énergie sur le réseau avec la MADA. Une valeur inférieure est susceptible

d'engendrer des régimes transitoires avec des dépassements importants et ne présente pas

d'intérêt particulier pour notre application [21].

Les termes Kp et Ki sont alors exprimés en fonction de ce temps de réponse et des

Paramètres de la machine :

Donc

7 = 7 C(K −L*K )

Finalement :

Le PI pour et Q c'est le même.

7 = 1¢

.KL

-K . L*

K/

7 ! 1¢

CKL

III.6. Dispositif de puissance

III.6.1. Commande du convertisseur côté rotor (RSC)

Le convertisseur côté rotor RSC (rotor side converter) sera commandé par la méthode

de séparation de puissances (régulateur PI) pour imposer une puissance active statorique

optimale a la MADA, calculée par la commande MPPT, et un facteur de puissance unitaire au

stator de la MADA, le schéma de principe de cette commande est illustré sur la figure

suivante : [21]

Figure III.9 : Schéma de principe de la commande du RSC

Cette partie ne sera pas étudié et simulé dans notre travaille.

III.6.2. Association onduleur MADA

Le réglage de la vitesse du rotor de la MADA se réalise par un onduleur de tension. La

fonction d’un onduleur est de convertir une tension continue d’entrée en une tension de sortie

alternative symétrique d’amplitude et de fréquence désirée. Une structure intéressante est

celle utilisant la technique de la PWM (Pulse Width Modulation) ou modulation des largeurs

d'impulsion, elle consiste à changer la largeur des impulsions de la tension de sortie avec des

commandes appropriées des interrupteurs. [8]

III.7. Modélisation de l’onduleur triphasé de tension :

L’onduleur triphasé est représenté par la figure (III.9), il est constitué de trois cellules

de commutation. Pour simplifier l’étude on suppose que :

La commutation des interrupteurs est instantanée.

La chute de tension aux bornes des interrupteurs est négligeable.

La charge est équilibrée et couplée en étoile avec neutre isolé.

(III-28)

(III-29)

Figure III.10 : Structure de l’onduleur triphasé

Va,V b,Vc : les tensions simple délivrées d’un par l’onduleur.

Uab,Ubc,Uca : les tensions composées par l’onduleur.

Uab= Va- Vb

Ubc= Vb- Vc

Ubc= Vb- Vc

Ou les tensions simples ont données par :

Va=6 (Uab- Uca)

Vb=6 (Ubc- Uab)

Vc=6 (Uca- Ubc)

Etant donné que chaque bras de l’onduleur est le résultat d’un transistor et d’une diode shuntés en antiparallèle, cela correspondrait à un composant bidirectionnel.

Le schéma simplifié d’un onduleur de tension commandé en tension peut être représenté comme suit :

Figure III.11 : Schéma simplifié d’un onduleur de tension commandé en tension.

Soit Fi une fonction logique associée a l’interrupteur7 définie comme suit :

Fi=£17>9é07s¤|G, i=1, 2, 3

Si F1=1 ⇒V1=0 ⇒ V1= (F1-1) Uf

Si F1=0 ⇒V1=Uf

Si F2=1 ⇒V2=0 ⇒ V2= (F2-1) Uf

Si F2=0 ⇒V2=Uf

(III-35) (III-36)

(III-31)

(III-32)

(III-33)

(III-30)

Si F3=1 ⇒V3=0 ⇒ V3= (F 3-1) Uf

Si F3=0 ⇒V3=UF

Nous avons :

Uab= V1- V2 ⇒ Uab= (F 1- F 2) Uf

Ubc= V2- V3 ⇒ Ubc= (F 2- F 3) Uf

Uca= V 3- V1 ⇒ Uca= (F 3- F 1) Uf

Ce qui donne sous forme matricielle :

O¥ST¥TU¥USP=U fO 1 −1 00 1 −1−1 0 1 P O+1+2+3P

En considérant que (Va,Vb,Vc) forment un système équilibré, nous avons :

Va+Vb+Vc=0

Ce qui nous permet d’écrire :

OSTUP=6 O 1 0 −1−1 1 00 −1 1 P O¥ST¥TU¥USP

En remplaçant la formule (ΙΙI.30) dans (ΙΙI.32), on aura :

OVaVbVcP=6UfO 2 −1 −1−1 2 −1−1 −1 2 P OF1F2F3P

III.8. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié la commande vectorielle de la MADA basée sur

l’orientation du flux statorique, utilisée pour la faire fonctionner en génératrice. Cette

méthode nous a permis non seulement de simplifier notre modèle mathématique mais aussi,

elle nous a assuré un découplage entre le couple et le flux.

Nous avons vu également que la composante directe du courant rotorique contrôle la

puissance réactive, et la composante en quadrature contrôle la puissance active, ceci nous a

permis de réaliser deux boucles de régulation de puissance en utilisant le régulateur PI, ce

dernier est simple à mettre en place et offre de bonnes performance, chose qui nous a permis

d’avoir des performances dynamiques élevées similaires à celle obtenues avec la machine à

courant continu (MCC).

Enfin on a modélisé l’onduleur triphasé de tensions, à commande PWM, qui

représente les convertisseurs de puissance de la machine. Cet onduleur sera simulé dans le

quatrième chapitre.

IV.1. introduction

Dans ce chapitre nous allons simuler le système éolien, partie mécanique et électrique,

avec la commande qu’on a établie dans le chapitre précédent. Nous allons construire un

schéma bloc sous le logiciel MATLAB SIMULINK, qui représente le modèle de la MADA,

la partie mécanique et la MPPT.

Nous allons aussi simuler l’onduleur de tension triphasé.

Enfin on aura à interpréter les résultats obtenus, et voir s’ils sont concordants avec les

résultats souhaité, et s’ils satisfassent les conditions de fonctionnement.

IV.2. simulation de l’onduleur triphasé

Figure IV-1: Signaux de commandes de l’onduleur

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

temps[s]

port

ref1

ref2

ref3

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

temps[s]

F1

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

temps[s]

F2

Figure IV-2: tracés des signaux de commandes des interrupteurs constituant l’onduleur

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

temps

va

va

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

temps[s]

F3

Figure ΙΙΙΙV-3 : Tensions à la sortie de l’onduleur(V)

Les figures ci-dessus représentent les résultats de simulation obtenus par la

commande PWM, on voit sur la figure (IV-2) les signaux de commandes des interrupteurs de

l’onduleur de tension, et sur la figure (IV-3) on voit les tensions à la sortie de l’onduleur qui

sont diphasées de 2p 3⁄ l’une par rapport à l’autre.

Ces tensions ont pour valeurs efficace 690 V et pour fréquence 50 Hz.

IV.3. Simulation du système éolien

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

temps

vb

vb

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

temps

vc

vc

Nous allons simuler la commande en puissance du système éolien, qu’on à réalisé dans le chapitre précédant.

IV.3.1. schémas bloc de la simulation

Figure IV-4: Schéma bloc sous simulink

La figure ci-dessus représente le schéma bloc de la commande en puissance de

l’éolienne sous MATLAB/SIMULINK, en distingue le modèle de la MADA, la MPPT

o u t

g.M.Vs/Ls1

o u t

g.M.Vs/Ls

In1

In2

calcule du glissement

1

Lr-(M*M

/Ls).s+Rr

Transfer Fcn1

1

Lr-(M*M

/Ls).s+Rr

Transfer Fcn

temps

To Workspace2

Qs

To Workspace1

Ps

To Workspace

0Qref

In1Vdr

PI Q

In1Vdr

PI P

idiqtheta

iaibic

PARK inverse

vdvqtheta

vavbvc

PARK inverse

W r

P re fM

PPTClock

[Id]

1

[teta]

1

[teta]

[vd]

[vd]

[Id]

[Iq]

[vq]

[Iq]

[Wr]

g.W

s.(Lr-(M*M/Lr))

Ws

vb

[vq]

Ib

va

Ia

1s

1s

vc

[Wr]

Ic

[teta]

Rr*Vs/(M*ws)

-M.Vs/Ls

g.Ws.(Lr-(M*M/Lr))

Vs*Vs/(Ls*ws)

-K-

-M.Vs/Ls

-K-

Iqr Iqr

Iqr

Idr Idr

Idr

(Maximum power point tracker), les régulateurs PI sur les axes (d et q) et les blocs de calcul

de la transformée inverse de PARK.

IV.3.2. résultats de la simulation

Modèle du vent

La vitesse du vent peut être modélisée par une somme de plusieurs sinusoïdes : [10]

| = 0.2 sin-36.645G/ + sin-12.93G/ + 2 sin-2.665G/ + 0.2 sin-1.047/ + 10.5 (IV-1)

Figure IV-5:Modèle de la vitesse du vent (m/s)

Le modèle de vent représenté sur la figure ci-dessous englobe les deux modes de fonctionnement de la GADA, hyposynchrone et hypersynchrone.

Figure IV-6:vitesse de rotation de la MADA (tr/min)

0.5 1 1.5 2 2.5 37

8

9

10

11

12

13

14

Temps

vite

sse

du v

ent

Vent

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Temps

Wr

Wr

La figure ci-dessous montre la variation de la vitesse de rotation de la MADA, suite à

la variation du vent, on remarque que la vitesse de rotation de la MADA varie entre 1050 et

1950 tr/min ce qui représente une variation de ±30% par rapport à la vitesse de synchronisme.

Figure IV-7:Puissance active statorique (W)

Figure IV-8:Puissance réactive statorique (VAR)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0x 10

6

temps

Ps

Pref

Ps

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

temps

Qs

Qref

Qs

Les figures (IV-7) et (IV-8) représentent les graphes de l’évolution de la puissance

active et réactive statorique en fonction du temps, ainsi que leurs valeurs de référence calculé

par la MPPT pour la puissance active et une valeur nulle pour la puissance réactive.

Nous remarquons que les grandeurs de référence ont été bien suivies par la MADA

pour les deux puissances active et réactive,ce qui indique un bon contrôle de la machine.

Nous remarquons que la puissance active statorique dépend de la vitesse du vent,

plus la vitesse du vent augmente plus la puissance délivrée par la MADA augmente.

Figure IV-9 :puissance active rotorique(W)

Figure IV-10 :puissance réactive rotorique(VAR)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4x 10

5

Temps

Pr

(W)

Pr

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1x 10

5

Temps

Qr

(var

)

Qr

Les figures (IV-9) et (IV-10) représente l’évolution des puissances active et réactive

rotorique en fonction du temps, on remarque que ces puissances dépendent de la vitesse du

vent, lorsque celle-ci est comprise entre 1050 et 1500 tr/min le rotor de la MADA absorbe de

la puissance à partir du réseau, c’est le fonctionnement hyposynchrone (Ω < Ω). Pour une vitesse de vent comprise entre 1500 et 1950 tr/min le rotor de la MADA

fournie de la puissance au réseau, c’est le fonctionnement hypersynchrone.

Figure IV-11 : Flux statorique (mW)

Nous remarquons que effectivement les flux statoriques d’axe (d,q) sont conforment à

nos attentes, le flux selon l’axe (q) est nul alors que le flux selon l’axe (d) est constant.

Figure IV-15 : Courant rotorique de ligne(A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

temps

flux

stat

oriq

ues

phi ds

phi qs

0.5 1 1.5 2 2.5 3-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Temps

Cou

rant

s R

otor

ique

Ia

Ib

Ic

La figure (IV-15) représente le graphe d’évolution des courants rotorique de phase

dans les axes (a,b,c), ces courants sont sinusoïdaux de pulsation et amplitudevariables selon la

vitesse de rotation de la génératrice, ils sont déphasés l’un par rapport à l’autre d’un angle de 2p 3⁄ , ces courants atteignent des pic de 400 A.

Figure IV-16 : Tensions rotorique de ligne(V)

La figure (IV-16) représente le graphe d’évolution des tensions rotoriques de phase

dans les axes (a,b,c), ces tensions sont sinusoïdales de pulsation et amplitudevariables selon la

vitesse de rotation de la génératrice, elles sont déphasés l’une par rapport à l’autre d’un angle

de 2p 3⁄ , ces tensions atteignent des pic de 3800 V.

0.5 1 1.5 2 2.5 3-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

Temps

Ten

sion

s R

otor

ique

va

vbvc

IV.4. Conclusion

Dans ce chapitre on à visualisé les résultats des simulations effectuées sur notre

système, ces résultats montrent l’avantage de la commande en puissance de la MADA d’un

système éolien à base de MADA.

La puissance délivrée par le générateur éolien type MADA dépend de la vitesse du

vent au niveau de la surface balayé par les pales de l’éolienne. Ainsi, que de la densité

volumique de l’aire.

Les résultats de la simulation correspondent aux résultats espérés, et montrent qu’il y a

concordance avec ceux rencontrés dans de la littérature.

Conclusion générale

L'objectif préalablement défini dans ce travail consistait à étudier, modéliser et

commander une MADA, destinée à la production d’énergie éolienne par conversion de

l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.

Nous avons rappelé dans un premier chapitre les concepts fondamentaux de la chaine

de conversion de l'énergie électrique et nous avons dressé un état de l'art sur les différentes

associations machines électrique-convertisseurs pouvant être utilisées dans une éolienne.

Le deuxième chapitre a été consacré à la construction du modèle de la machine

asynchrone à double alimentation, d’abord dans un repère triphasé, puis dans le repère

diphasé de PARK. Nous nous sommes intéresses à modéliser la turbine éolienne, car bien que

cela relève de la mécanique, elle constitue néanmoins un élément fondamental dans la

conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique.

Le troisième chapitre comporte la commande vectorielle en puissance de la MADA

dans le but de contrôler l'échange de puissance active et réactive entre le stator el le réseau,

des régulateurs de type proportionnel intégral (PI) ont été utilisés.

On a aussi construit un modèle de l'onduleur de tension triphasé à commande MLI

associé au rotor de la MADA.

Dans le quatrième chapitre on a construit un modèle de simulation sous

MATLAB /SIMULINK de tous le système éolien, partie électrique, partie mécanique et partie

commande.

On a présenté des résultats de simulation du modèle de l’onduleur de tension qu’on a

construit dans le chapitre précédent.

Des résultats de simulations pour un profil de vent passant par les deux modes de

fonctionnements (hypo et hyper synchrone) sont présentés et discutés.

Il est à signaler que les résultats obtenus correspondaient à ceux attendus et des

interprétations ont été proposées dans le chapitre IV.

Par ailleurs ces résultats ont été compares avec ceux obtenus par d'autres travaux

existants dans la littérature technique.

Nous avons traité la commande en puissance de la MADA par deux régulateurs (PI)

externes de puissance. Nous aurions pu adjoindre des régulateurs internes de courants pour

obtenir moins d'oscillations en régime transitoire, comme nous aurions pu proposer d'autres

types de régulateurs de puissance (RST, LQG, régulateurs non entiers,.....etc.).

Il est noté que l’utilisation de la MADA dans les éoliennes connaît une évolution très

rapide à cause de ses performances vis-à-vis des autres machines, et aussi grâce aux

progrès technologiques. Néanmoins, il en demeure quelques problèmes notamment liés

aux contacts mécaniques (bagues). Ainsi la majeur partie des éoliennes modernes

industrielles est constitué de génératrice asynchrone à double alimentation car elle

apporte non seulement des solutions aux variations incessantes du vent, mais aussi permet

un transfert optimale de la puissance au réseau.

[1] KHIRENNAS Abdelhamid: « Alimentation et Commande d’une Machine

Asynchrone à Double Alimentation en vue d’une application pour la Conversion de

l’Énergie Éolienne», Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de Magister,

École militaire polytechnique, Alger, 2010.

[2] AKEL Fethi: «Etude et Réalisation d'un Emulateur de Turbine Eolienne», Mémoire

Présenté pour l’obtention du diplôme de Magister, École militaire polytechnique,

Alger, 2009.

[3] ZIOUI Nadjet : «Conception, modélisation et commande d’une éolienne à axe vertical ».

Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de Magister En Automatique, École

Nationale supérieur polytechnique, 2008.

[4] MESBAHI Tedjani : «Gestion des Flux Energétiques dans un Système de

Conversion Éolienne». Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de Magister,

École militaire polytechnique, Alger, 2011.

[5] ABDELHAMID Lilia : « Contribution à l’Etude des Performances des Générateurs

Electromagnétiques Utilisés dans les Systèmes Eoliens ». Mémoire Présenté pour

l’obtention du diplôme de Magister, Université de Batna, 2008.

[6] ATOUI Issam : «Contribution au Diagnostic de Défaut dans une Chaine de

Production D’énergie», Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de Magister,

Université Badji Mokhtar ANNABA, 2009.

[7] POITIERS Frédéric: « Etude et Commande de Génératrices Asynchrone pour

L'utilisation de L'énergie Eolienne », Thèse de Doctorat, Ecole polytechnique de

l'Université de Nantes, 2003.

[8] MIRECKI Adam: «Etude comparative de chaînes de conversion d’énergie dédiées à

une éolienne de petite puissance», présentée en vue d’obtenir le grade de Docteur,

Institut National Polytechnique de TOULOUSE.2005.

[9] DAVIGNY Arnaud: «Participation aux services système de fermes d’éoliennes à

vitesse variable intégrant du stockage inertiel d’énergie», présentée en vue d’obtenir le

grade de Docteur, Université des Sciences et Technologies de LILLE, 2005.

[10] E.S. Abdin, W. Xu : «control design and dynamic performance analysis of

wind turbine induction generator unit», IEEE Transaction on Energy Conversion,

VOL 15, N°1, 2000.

[11] EL AIMANI Salma: « Modélisation de Différentes Technologies

D'éoliennes Intégrées dans un Roseau de Moyenne Tension », présentée en vue

d’obtenir le grade de Docteur, Ecole Centrale de LILLE, 2004.

[12] LOPEZ Miguel: «Contribution a L'optimisation d'un Système de Conversion

Eolien pour une Unité de Production Isolée », présentée en vue d’obtenir le grade de

Docteur, Université de PARIS-SUD 11, 2010.

[13] BOUHALI Omar: «Contribution Des Contributions Multi niveaux au

Raccordement de la Production D’origine Eolienne sur un Réseau Electrique »,

présentée en vue d’obtenir le grade de Docteur, Ecole Centrale de Lille, 2007.

[14] ROBYNS Benoît: « Supervision d’une centrale multi sources à base

d’éoliennes et de stockage d’énergie connectée au réseau électrique», Thèse de

doctorat, École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers, 2008.

[15] MERZOUK Imad: «Commande D’un Convertisseur AC/DC En Régime

Déséquilibré», Présenté pour l’obtention du diplôme de magister, Ecole Militaire

Polytechnique, 2008.

[16] S.Mekhtoub: «Etude du Générateur Asynchrone pour l’utilisation dans la

production de l’énergie éolienne», mémoire d’ingénieur, Ecole Nationale

Polytechnique, 2007.

[17] Bouaraki Mouloud : « Etude d’un entrainement à double alimentation pour

turbine éolienne à vitesse variable : Application sur un site à TINDOUF» mémoire de

Magister, Université M’hamed Bougara-Boumerdes ,2012.

[18] HAKIM BENNANI : «machine asynchrone à double alimentation, Les lois de

commande en régime permanent». Pour l’obtention du grade de Maître ès sciences,

l’Université Laval, 2011.

[19] Tarak GHENNAM : «Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration

dans la gestion d’un réseau électrique». Doctorat délivré conjointement par l’école

centrale de Lille et l’école militaire polytechnique d’Alger, 2011.

[20] Rémi DEFONTAINES: «étude et simulation de la MADA». École de

technologie supérieure université DU QUÉBEC ,2012.

[21] Arnaud GAILLARD: « Système éolien basé sur une MADA : contribution à

l’étude de la qualité de l’énergie électrique et de la continuité de service ». Docteur de

l'Université Henri Poincaré, Nancy-I.2010.

[22] Belhadji Mohamed : « modélisation d’un système de captage photovoltaïque

Autonome », mémoire de magister : micro électrique ; carte université de Béchar

institut des sciences exactes 2008.

[23] Naouel HAMDI: «Modélisation et commande des génératrices éoliennes»,

mémoire de magister Université MENTOURI de CONSTANTINE, 2008.

[24] Bulletin des Energies Renouvelables - N° 21 2011- Centre de Développement

des Energies Renouvelables Ministère de l’Enseignement Supérieur et la Recherche

Scientifique

Dimensionnement de l’éolienne :

1-Limite de fonctionnement :

De la figure ci-dessus, la vitesse du générateur correspondant à +30% de la vitesse de synchronisme est : 1500+(0,3*1500)=1950 tr/min, elle est atteinte lorsque la vitesse du vent est de 13.58 m/s (limite de fonctionnement hypersynchrone). Pour la limite du fonctionnement hyposynchrone la vitesse du générateur est de -30% du synchronisme, soit : 1500-(0.3*1500)=1050 tr/min à laquelle correspond une vitesse de vent de 7,57 m/s. [10]

2-Puissance mécanique délivrée par turbine :

De la figure ci-dessus nous déduisons les deux puissances delivrees correspondant aux deux limites de fonctionnement (hypo et hypersynchrone).

Limite hyposynchrone (0.4667 MW,à 7.57 m/s)

Limite hypersynchrone (3 MW, à 13.58 m/s)

I. Paramètres de la turbine éolienne : [10]

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.50

500

1000

1500

2000

2500

vent

vite

sse

de r

otat

ion

de la

MA

DA

vitesse de rotation

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.52

4

6

8

10

12

14x 10

5

vitesse du vent

puis

sanc

e m

écan

ique

Pm

Nombre de pales =3 ; Diamètre d’une pale =45m ; Gain du multiplicateur : G=100 ; Inertie de la turbine : J=1.4 Kg.m²

II. Paramètres de la MADA : [10]

= 3 MW ; ¥= ¥=690 V ; x ! 2; > ! 50±²; Résistance statorique : Rs = 2.97 mΩ ; Inductance statorique : Ls =12.2mH ; Résistance rotorique : Rr =3.82 mΩ ; Inductance rotorique : Lr =12.2 mH ; Inductance Mutuelle : M = 12.12H ; Inertie de la MADA : J=114 Kg.m² ; Coefficient des frottements : f = 10 Nm.s/rd ;

Modélisation et commande d'une MADA destinée à ... - UMMTO

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