Commande d’une éolienne à vitesse et angle de calage des pales variables

Commande des éoliennes

La commande a un rôle primordial pour réduire les coûts de la production d’énergie, optimiser et assurer la meilleure qualité de la puissance générée pour un réseau ou un site isolé. La commande a aussi pour rôle de réduire les charges que subit la structure mécanique, notamment en limitant les fluctuations causées par les variations de vent [13]-[17]-[53]. Ainsi, les objectifs de la commande dépendent essentiellement de la zone de fonctionnement de l’éolienne, la zone étant définie par la vitesse de vent. On distingue généralement deux zones de fonctionnement, une première dite « à charge partielle », et une seconde dite « à pleine charge ». Dans la première zone, l’objectif est l’optimisation de la puissance récupérée par la turbine, tandis que le maintien de la puissance à la valeur nominale de la machine est l’objectif de la seconde zone. Malheureusement, les incertitudes des modèles, les variations du vent et les changements entre les deux zones sont les principaux facteurs qui nuisent aux performances de la chaîne de conversion de l’énergie éolienne [24]. Afin de pallier ces inconvénients, des stratégies de commande pour les éoliennes à vitesse et angle de calage des pales variables ont été proposées. La commande proportionnelle intégrale (PI) est généralement la plus utilisée dans les applications industrielles [54]-[55]-[56]. Ainsi, la commande de type PI a été largement implémentée [57]-[55]-[38] afin de régler la puissance produite pour différentes vitesses du vent. Cependant, son réglage est effectué pour un domaine d’opération bien spécifié ce qui peut induire des variations de performance. Cela signifie que, en dehors de ces conditions, le système est moins efficace vis-à-vis du rejet des perturbations et des variations paramétriques [58]. Or, dans le système éolien, les parties mécaniques et électriques ont globalement un comportement non linéaire, où la variation des paramètres est un obstacle bien connu.

Par ailleurs, les éoliennes à vitesse et angle de calage des pales variables sont conçues pour être exploitées sous une large gamme de vitesses du vent, ce qui rend la conception de la loi de commande plus difficile [28]-[55]. Afin de surmonter ces inconvénients, différentes stratégies de commandes non linéaires ont été utilisées. Une commande par linéarisation entrée-sortie d’une éolienne connectée à une machine synchrone pilotée par un convertisseur AC/DC a été proposée dans [26], associée à un algorithme d’optimisation de puissance. La vitesse et les courants de la machine sont commandés afin de minimiser les pertes dans la machine et donc de maximiser le rendement énergétique. Néanmoins, l’efficacité de la stratégie de commande face aux perturbations, telles que les erreurs de modélisation et les bruits de mesure n’a pas été évaluée. Une commande basée sur la logique floue [38] a été implémentée pour commander la puissance d’une éolienne de 2 MW équipée d’une machine synchrone, pour de fortes vitesses de vent.

L’angle de calage est commandé afin de limiter la puissance produite à la valeur nominale de la génératrice. Bien que ces stratégies aient montré leur efficacité face à la non-linéarité du modèle, l’analyse de robustesse n’a pas été menée, ce qui réduit l’intérêt de ces études. Dans [59]-[60], une stratégie basée sur la commande par réseaux de neurones a été proposée pour la régulation de la puissance d’une éolienne de 5 MW. D’après [59], cette approche permet une transition douce entre les deux zones (charge partielle et pleine charge) et réduit les oscillations au niveau de l’arbre de transmission. Toutefois, son point faible est qu’elle nécessite un développement d’une commande adaptative, ce qui complexifie son implémentation. D’autres commandes plus performantes ont été étudiées afin d’améliorer le rendement énergétique des éoliennes et de réduire les charges sur les structures, tel que la commande linéaire quadratique (LQ) [61], ou encore la régulation par la méthode du gain scheduling [15]-[62]-[63]. Néanmoins, la robustesse des lois de commande vis-à-vis des perturbations n’a pas été étudiée.

Dans le cadre de la commande robuste, des méthodes basées sur la théorie des modes glissants ont été proposées [64]-[65]-[66]-[28]-[67]. Ce type de commande est approprié aux systèmes non linéaires incertains. Néanmoins, son inconvénient majeur est le phénomène de broutement (chattering en anglais), qui peut augmenter les oscillations de l’arbre de transmission de l’éolienne. Pour ces raisons, des approches basées sur la commande mode glissant d’ordre deux et d’ordre supérieur ont été introduites [33]-[68]-[69]-[70]-[71]-[72]. Ce type de commande a été utilisé aussi afin de rendre le système éolien plus robuste face aux perturbations (variation du vent, incertitudes paramétriques), d’améliorer le rendement énergétique et d’atténuer les charges sur la structure. Néanmoins, l’analyse des résultats et la comparaison des performances telles que les variations du couple électromagnétique et la quantité de la puissance produite n’ont pas été étudiées. Pour les fortes vitesses de vent, il semble plus avantageux d’agir sur l’angle de calage des pales que sur la vitesse de rotation [15]. Généralement, la commande de l’angle de calage est assurée par une commande type PI [38]-[73]-[74] afin de limiter la production de la puissance lorsque le vent devient fort. Dans ce contexte, une commande basée sur la théorie des modes glissants a été présentée dans [75] ; néanmoins, le modèle a été linéarisé et des tests de robustesse n’ont pas été faits.

Motivation et objectifs

L’étude menée dans ce travail a été initialement motivée par les exigences consistant à rendre une turbine éolienne plus efficace en terme de production et de qualité de la puissance électrique, l’objectif principal étant de maximiser le rendement énergétique et de réduire les charges sur l’arbre de transmission de l’éolienne. Au fil de ce mémoire, une éolienne à vitesse variable et angle de calage des pales variable va être étudiée. Ce type d’éolienne est capable d’assurer un fonctionnement sur une large plage de vitesses du vent, notamment à faible et à grande vitesses. Le fait d’avoir une vitesse variable permet d’adapter la vitesse de rotation à celle du vent, et par conséquent d’optimiser la puissance produite. La variation de l’angle de calage des pales permet de commander l’éolienne pour les fortes vitesses de vent. L’étude d’un nouveau système éolien original à double rotor va mettre en évidence l’intérêt des angles de calage variables. Ce nouveau concept a été proposé par un cabinet d’architecture navale à Nantes, France [30]. La nouveauté de ce système réside dans le fait que les deux éoliennes solidaires via un axe horizontal peuvent pivoter face au vent sans l’utilisation d’un actionneur dédié à la rotation. Ceci est réalisé grâce à la différence des forces aérodynamiques générées par les deux éoliennes, rendant possible la rotation libre du mât portant les deux éoliennes.

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On se retrouve donc avec une structure différente mais avec des objectifs semblables : maximisation du rendement énergétique et réduction des charges sur l’arbre de transmission. Cependant, pour la structure double, un objectif supplémentaire est l’orientation face au vent, ce dernier étant le point clé pour la maximisation de la puissance. Étant donné que l’environnement est fortement perturbé (variations du vent, incertitudes paramétriques, . . . ), il semble plus approprié de proposer des lois de commande robustes, tel que la commande type backstepping [76], ou la commande par mode glissant standard ou d’ordre deux [65]-[33]. Pour résumer, les principaux objectifs de cette thèse sont

• modélisation et commande d’une éolienne dans deux zones de fonctionnement (optimisation et limitation de la puissance) ;

• réduction des charges mécaniques sur l’arbre de transmission avec atténuation des oscillations lors de la transition entre les deux zones de fonctionnement ;

modélisation d’une éolienne double : modèle dynamique non linéaire (mécanique et électrique) ;

Commande d’une éolienne à vitesse et angle de calage des pales variables

L’objectif principal de la commande d’une éolienne consiste à assurer une production optimale de puissance électrique, tout en minimisant les coûts de maintenance et les risques de défaillance. Ainsi, le fonctionnement de l’éolienne doit garantir, pour une vitesse de vent donnée, une puissance optimale. Néanmoins, cela doit se faire avec des charges dynamiques limitées sur le train de transmission. Afin de répondre à ces objectifs, les éoliennes à vitesse variable et angle de calage des pâles (appelé parfois pitch) variable semblent les plus appropriées. En effet, cette technologie permet d’exploiter l’éolienne sur une large gamme de vitesses du vent [13]. Néanmoins, en raison des variations de la vitesse du vent, le fonctionnement optimal de l’éolienne n’est pas toujours assuré, notamment au delà d’une certaine vitesse du vent. Par conséquent, deux zones de fonctionnement sont considérées par rapport à la puissance générée, à savoir une zone d’optimisation (également appelée zone de charge partielle) et une zone de limitation (également appelée zone de pleine charge). Dans la suite de ce chapitre, une étude de la commande d’éolienne dans les deux zones est proposée. Tout d’abord, ces deux zones de fonctionnement de l’éolienne en fonction de la vitesse du vent sont présentées. Ensuite, le choix des zones dans lesquelles l’éolienne sera commandée permet d’aboutir à la formulation du problème ; des techniques d’optimisation, qui seront par la suite associées à la commande de l’éolienne, sont également détaillées. Enfin, deux stratégies de commande sont présentées : une commande de type PI, et une commande de type Backstepping [89]. Comme l’objectif principal est, selon la zone de fonctionnement, l’optimisation ou la limitation de la puissance produite, un objectif supplémentaire est d’assurer une transition douce lors du passage entre les deux zones ; ceci doit être pris en compte afin de réduire les fluctuations de la puissance produite.

Table des matières

1 Introduction générale
1.1 État de l’art
1.1.1 Historique
1.1.2 Éoliennes à axe vertical ou horizontal
1.1.3 Éolienne à vitesse fixe et variable
1.1.4 Génératrices utilisées dans les éoliennes
1.1.5 Commande des éoliennes
1.2 Motivation et objectifs
1.3 Organisation du rapport
I Étude d’une éolienne simple
2 Modélisation de la chaîne de conversion
2.1 Introduction
2.2 Modèle aérodynamique
2.2.1 Incidence du vent sur la pale
2.2.2 Modèle de la turbine
2.3 Modèle de l’arbre de transmission (arbre mécanique)
2.3.1 Modèle à double masse
2.3.2 Modèle à simple masse
2.4 Modèle de l’actionneur de l’angle de calage
2.5 Modélisation de la génératrice électrique [1]-[2]-[3]
2.5.1 Modèle triphasé de la MSAP
2.5.2 Transformation triphasé-diphasé de la MSAP (modèle d − q)
2.6 Un premier modèle d’état d’une éolienne
2.7 Conclusion
3 Commande d’une éolienne à vitesse et angle de calage des pales variables
3.1 Introduction
3.2 Zones de fonctionnement d’une éolienne
3.3 Principe de commande dans les zones II et III
3.3.1 Zone II. Optimisation de la puissance produite
3.3.2 Zone III. Limitation de la puissance produite
3.3.3 Zone de commutation entre les zones II et III
3.4 Synthèse des lois de commande
3.4.1 Stratégie de maximisation du couple (zone II) [4]-[5]
3.4.2 Principe de la commande vectorielle
3.4.3 Commandes basées PI
3.4.4 Commandes basées backstepping [6]
3.4.5 Commande de l’angle de calage (zone III)
3.5 Simulations et analyse
3.5.1 Scénario 1 : fonctionnement en charge partielle (zone II)
3.5.2 Scénario 2 : fonctionnement en pleine charge (zone III)
3.5.3 Scénario 3 : fonctionnement dans les deux zones et dans l’inter-zone
3.5.4 Scénario 4 : test de robustesse
3.6 Conclusion
II Étude d’une nouvelle structure d’éolienne double
4 Commande d’une éolienne double par le différentiel des angles de calage des pales
4.1 Introduction
4.2 Présentation du concept SEREO
4.3 Principe général
4.4 Modélisation de la structure SEREO [7]-[8]
4.4.1 Modèle mécanique
4.4.2 Modèle électrique
4.4.3 Modèle non linéaire complet de la structure SEREO
4.5 Un modèle de commande du système SEREO
4.6 Formulation du problème de commande
4.7 Commande par mode glissant d’ordre 1 [8]
4.7.1 Principe de la commande par mode glissant d’ordre 1
4.7.2 Application à la structure SEREO
4.7.3 Résultats de simulations
4.8 Commande par mode glissant d’ordre deux
4.8.1 Conception des lois de commande
4.8.2 Résultats de simulation
4.9 Commande backstepping avec action intégrale [9]
4.9.1 Commande en vitesse des éoliennes
4.9.2 Commande de l’angle d’orientation
4.10 Résultats de simulation
4.11 Conclusion
5 Commande d’une éolienne double par différence de puissance
5.1 Introduction
5.2 Principe général
5.3 Rappel du modèle réduit de la structure SEREO
5.4 Formulation du problème de la commande
5.5 Commande Super-Twisting
5.5.1 Rappels [10]-[11]
5.5.2 Application au système SEREO [12]
5.6 Analyse des résultats de simulation
5.6.1 Test avec la fonction discontinue sign
5.6.2 Scénario 1. Production maximale et rotation face au vent
5.6.3 Scénario 2. Analyse de la robustesse (incertitudes paramétriques)
5.7 Conclusion
Conclusions et perspectives
Appendices
A Annexe A
B Annexe B
Bibliographie

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