Etude du cycle de fonctionnement sur site de l’ensemble turbine hydrolienne à pas fixe, conver tisseur et MSAP en modes sain et dégradés

L’objectif de ce chapitre est d’évaluer la capacité d’extraction d’énergie d’une génératrice synchrone polyphasées à aimants permanents associée à une turbine hydrolienne à pas fixe sur un site hydrolien en modes sain et dégradés. L’utilisation d’une MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents) avec un convertisseur à IGBT associée en entrainement direct à une turbine à pas fixe est un choix intéressant en termes de compromis coût/robustesse car cette solution permet de minimiser les systèmes mécaniques qui nécessitent des niveaux de maintenance élevés. Cette solution impose cependant des stratégies de commandes particulières, afin d’appliquer une stratégie d’extraction optimale avec limitation de puissance de pouvoir suivre une caractéristique couple vitesse particulière. Cette caractéristique comprend un mode de survitesse de type défluxage sur une large plage de fonctionnement en vitesse variable [18, 69] [2,4]. Cette caractéristique couple vitesse en mode sain constituera le principal élément du cahier des charges des ensembles convertisseurs machines que nous étudieront ici. Du fait de la difficulté d’accès aux systèmes localisés sous la mer, nous supposerons que si un défaut apparait, un temps important de l’ordre de plusieurs semaines s’écoule entre l’apparition du défaut et une intervention de maintenance corrective. C’est pourquoi nous supposerons que dans ce cas, l’utilisation de la machine en mode dégradé doit permettre de continuer d’extraire le plus possible de l’énergie. C’est pourquoi nous nous attacherons à quantifier l’énergie extraite en mode sain et en modes dégradés sur une période significative. Ainsi, après avoir caractérisé la ressource (courant de marées) d’un site typique sous forme de données statistiques, et fait le choix d’une turbine, nous comparerons plusieurs ensembles convertisseur machine et évaluerons leurs capacités à fonctionner avec des performances satisfaisantes en modes sains et dégradés.

Choix du site

Le choix du site sur lequel est basé l’étude est fait à partir de l’identification de sites potentiellement attractifs pour l’exploitation de l’énergie hydrolienne. Une telle identification a été faite en Bretagne. Ce qui a permis de localiser des sites particulièrement attractifs en termes d’exploitation d’énergies renouvelables marines, illustrés par la Figure 89 tirée de [11]. Les données utilisées dans cette étude correspondent à un site situé dans le Raz du Sein où le potentiel énergétique est évalué dans [123]. Cette évaluation consiste à déterminer la vitesse des courants marins et leurs occurrences ( OCCi : nombre d’heures correspondant à chaque valeur de vitesse) sur une période significative au niveau de la variation des courants de marée (8424 heures). Cette étude montre que la vitesse des courants marins atteint sur ce site une valeur maximale de 3.6 m/s. Ce qui le situe parmi les sites les plus attractifs en termes de ressource énergétique.

La connaissance de la valeur des courants marins et des occurrences de ces valeurs données à la Figure 91 et dans la Table 19 de l’annexe 7, permet de déterminer l’énergie cinétique sur le site, qui traverse une section balayée par les pâles de la turbine, de surface perpendiculaire à l’écoulement [123], durant la période d’étude. L’énergie extractible sur le site dépendra alors de la turbine choisie. Pour des raisons de fiabilité, la turbine est choisie comme étant une turbine à pas fixe par opposition à une turbine à pas variable qui nécessite une maintenance plus fréquente. Cette turbine est conçue pour pouvoir fonctionner de manière similaire dans les 2 deux directions principales du courant (flot et jusant) en utilisant un profil de pale symétrique [124]. L’inversion du sens du courant correspond alors à une inversion de la vitesse de rotation. Une fois que toutes les caractéristiques du site d’exploitation sont déterminées et la turbine à mettre en place choisie, il faut définir une stratégie d’extraction de puissance adaptée. Si on se place dans le contexte particulier d’une turbine à pas fixe, on est amené, lorsqu’on est en dessous d’une vitesse nominale de courant marin Vn , à piloter la vitesse de la turbine de telle sorte que le maximum de puissance puisse être extrait pour chaque vitesse de courant. Puis à limiter cette puissance lorsque la valeur du courant dépasse cette valeur nominale. Au premier ordre, on peut considérer que la turbine à pas fixe que nous étudierons est caractérisée au sens de sa performance hydrodynamique par une courbe de coefficient de puissance qui dépend du rapport de la vitesse périphérique des pales et de la vitesse.