MODÉLISATION ET COMMANDE D’UNE GÉNÉRATRICE ASYNCHRONE À DOUBLE ALIMENTATION

Aérogénérateur à vitesse variable 100%

Pour réaliser des opérations à vitesse variable sur toute la plage de vitesse du vent, une autre configuration est développée à l’aide d’un convertisseur de puissance à pleine échelle (100%) connecté entre le stator de la génératrice et le réseau comme dans la Figure 1.13 [21], [22]. Le convertisseur de puissance se compose d’un convertisseur côté génératrice et d’un autre côté réseau reliés par l’intermédiaire d’un condensateur du bus continu. La génératrice GSAP est la plus populaire dans cette configuration par rapport aux autres, comme la GAS et la GSRB [18], [19]. Multiplicateur GSAP C Filtre Réseau Turbine Figure 1.13. Aérogénérateur à vitesse variable 100% Contrairement aux aérogénérateurs à vitesse variable à base de la GADA, où le convertisseur de puissance est connecté entre le rotor  et le réseau pour ne traiter que la puissance de glissement, le convertisseur des aérogénérateurs à pleine échelle traite toute l’énergie électrique produite. Le coût du convertisseur de puissance sera élevé à cause de l’augmentation de sa capacité de 30% à 100% de la puissance produite. Les avantages et les inconvénients de cette configuration sont les suivants : Avantages :  L’absence de la contrainte sur les composants mécaniques avec un rendement élevé en raison de la possibilité de fonctionnement à vitesse maximale (0 – 100%) ;  La génératrice est totalement découplée du réseau. Les convertisseurs de puissance permettent également une connexion lisse au réseau ;  La commande indépendante de la puissance active et réactive conduit à une excellente qualité de puissance ; Inconvénients :  En raison du convertisseur à pleine échelle, le coût initial et le besoin d’espace dans la nacelle augmentent ainsi que la complexité globale du système ;  Les pertes de puissance plus élevées dans le convertisseur de puissance ce qui dégradent l’efficacité globale de l’aérogénérateur. 1.10Convertisseurs de puissance Les convertisseurs de puissance bidirectionnels sont généralement classés en deux catégories directe et indirecte : la conversion directe utilise des convertisseurs de puissance AC/AC à un seul étage, tandis que la conversion indirecte utilise des convertisseurs à deux étages (AC/DC + DC/AC).

Cycloconvertisseur (AC/AC)

Afin d’autoriser un flux de puissance bidirectionnel entre le rotor et le réseau et d’éliminer les composants de liaison du bus continu, un convertisseur direct de puissance à un seul étage a été développé et nommé cycloconvertisseur. La structure du cycloconvertisseur est illustrée dans la Figure 1.14. Figure 1.14. Cycloconvertisseur (AC/AC) Le principe de fonctionnement du cycloconvertisseur est de prendre des fractions de tensions sinusoïdales afin de reproduire une onde de fréquence inférieure (Figure 1.15) [5]. Figure 1.15. Principe de fonctionnement du cycloconvertisseur [5] Le cycloconvertisseur génère des harmoniques considérables, qui nuisent au facteur de puissance. 

Convertisseur dos-à-dos

Les progrès de l’électronique de puissance ont conduit au remplacement des cycloconvertisseurs par des convertisseurs indirects à deux étages nommé : convertisseur dos-à-dos. Ce dernier est composé de deux onduleurs dos à dos reliés par l’intermédiaire d’un condensateur du bus continu. La structure du convertisseur dos-à-dos est illustrée dans la Figure 1.16. Figure 1.16. Convertisseur dos-à-dos à deux niveaux Les avantages du convertisseur dos-à-dos sont sa capacité de commande de grande puissance et la possibilité de fonctionnement en quatre quadrants avec une structure relativement simple utilisant peu de composants, ce qui contribue à une performance éprouvée, robuste et fiable [23]. La topologie du convertisseur dos-à-dos à deux niveaux est une solution de pointe dans les aérogénérateurs à vitesse variable basés sur la GADA. 1.11 Commande de l’aérogénérateur 1.11.1 Zones de commande de l’aérogénérateur L’objectif de la commande d’un aérogénérateur est d’assurer surtout sa sécurité et l’extraction d’une puissance optimale, suivant la  caractéristique puissance/vitesse de la chaîne de conversion, qui peut se décomposer en six zones distinguées Figure 1.17 [14], [24]. Figure 1.17. Zones de fonctionnement de l’aérogénérateur Zone 1 : Au début, la vitesse du vent est insuffisante pour permettre de démarrer l’aérogénérateur, puisque la vitesse mécanique est inférieure à une certaine vitesse Ωcut-in, dénommée la vitesse de démarrage. Zone 2 : C’est la zone de démarrage de l’aérogénérateur, dans laquelle la vitesse mécanique est supérieure à la vitesse de démarrage Ωcut-in. Zone 3 : Lorsque la vitesse de l’aérogénérateur atteint un certain seuil, une stratégie de commande, permettant l’extraction de la puissance maximale du vent MPPT, est appliquée dans l’objectif d’optimiser le rendement énergétique quelle que soit la vitesse du vent. Dans cette zone, la vitesse de rotation est commandée par le couple électromagnétique de la génératrice, tandis que l’angle de calage des pales est maintenu constant à sa valeur minimale. Pn nom |𝑃| 4 1 2 3 5 MPPT Orientation des pales Ωmec 6 90% de Pn Ωcut-in Ωs Ωcut-out  Zone 4 : Lorsque la puissance de l’aérogénérateur atteint des valeurs plus importantes, jusqu’à 90% de la puissance nominale Pn, celui-ci fonctionne alors à une vitesse relativement constante.  Zone 5 : C’est la zone d’orientation des pales (Pitch Angle Control), dans laquelle la puissance de l’aérogénérateur arrive à sa valeur nominale Pn, où une limitation de la puissance produite est effectuée à l’aide d’un système d’orientation des pales afin d’assurer la sécurité de l’aérogénérateur contre les vents forts.  Zone 6 : Lorsque la vitesse de la turbine atteint sa vitesse maximale Ωcut-out, l’aérogénérateur s’arrête de manière à éviter les endommagements. 

Commande de la génératrice

Contrairement à la commande scalaire qui garantit la performance seulement pendant le fonctionnement en régime permanent, la commande vectorielle garantit la performance pendant le fonctionnement en régime permanent et transitoire grâce à la possibilité d’ajuster la position instantanée, l’amplitude et la fréquence des vecteurs de tension, du courant et du flux de la génératrice. Dans la littérature, les schémas d’application de la commande vectorielle sont globalement classés en trois méthodes : commande par orientation de flux (FOC, Field Oriented Control), commande direct de couple (DTC, Direct Torque Control) et commande directe de puissance (DPC, Direct Power Control). La commande vectorielle peut étre appliquée en transformant le modèle dynamique triphasé de la génératrice en coordonnées tournant en synchronisme avec le vecteur de flux ou de tension du rotor ou du stator, L’objectif est de décomposer le système non linéaire à multientrés et à multisorties (MIMO, Multiple Input Multiple Output) de la génératrice en deux sous-systèmes linéaires à une seule entrée et à une seule sortie (SISO, Single Input Single Output) [25]–[27]. Dans FOC  ces deux sous-systèmes représentent les courants de rotor direct et quadrature séparément. La commande de la génératrice est obtenue en contrôlant ces deux sous-systèmes SISO avec deux contrôleurs PI. Et dans DTC la commande de la génératrice est obtenue en contrôlant le couple et le flux directement avec deux comparateurs d’hystérésis et une table de correspondance. De même pour DPC en contrôlant la puissance directement. 1.12Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté l’état de l’art sur l’énergie du vent et les aérogénérateurs. Le principe de fonctionnement des aérogénérateurs, leurs principales classifications et leurs principaux composants utilisés ont été présentés. Les configurations des aérogénérateurs présentées dans la littérature ont été exposées et analysées afin de montrer les points forts et les points faibles de chacune d’elles. La présence des convertisseurs électroniques de puissance est incontournable pour les aérogénérateurs à vitesse variable, afin de permettre d’appliquer toutes leurs exigences de contrôle. La majorité des aérogénérateurs sont contrôlés en puissance et en vitesse afin de répondre aux besoins énergétiques du réseau électrique ou de la charge en qualité et en quantité.

MODÉLISATION D’UN AÉROGÉNÉRATEUR À BASE D’UNE GADA CONNECTÉE AU RÉSEAU ÉLECTRIQUE 

Actuellement, 50% des aérogénérateurs utilisent la génératrice asynchrone à double alimentation [28]–[30]. Cela est dû à leur configuration, dont les convertisseurs de puissance ne traitent que la puissance de glissement, c’est-à-dire, 30% de la puissance nominale. Ce chapitre est consacré à la modélisation des différents constituants d’un aérogénérateur à vitesse variable à base d’une génératrice asynchrone à double alimentation raccordé au réseau, dont le stator est directement connecté au réseau, tandis que le rotor est connecté au réseau par l’intermédiaire d’un convertisseur dos-à-dos avec un bus continu. Ce chapitre est organisé comme suit. Après avoir donné une description du système étudié, la modélisation des parties mécaniques (la turbine, le multiplicateur et l’arbre) de l’aérogénérateur est faite. Cette modélisation est suivie par la modélisation des parties électriques où nous présentons la modélisation de la génératrice asynchrone à double alimentation. Pour l‘intégration au réseau, nous présentons la modélisation du filtre RL et aussi celle du convertisseur électronique de puissance dos-à-dos et du bus continu. Une conclusion est donnée à la fin du chapitre.

Description de l’aérogénérateur étudié

Le système étudié est présenté à la Figure 2.1. Ce système consiste en une turbine à trois pales qui entraîne une génératrice asynchrone à double alimentation par l’intermédiaire d’un multiplicateur de vitesse, dont le stator est directement connecté au réseau, alors que le rotor est connecté au réseau à travers un convertisseur de puissance dos-à-dos et un bus continu.Multiplicateur GADA Réseau C Turbine Filtre RL Figure 2.1. Aérogénérateur à base d’une GADA 2.3 Modélisation du vent La vitesse du vent peut être représentée mathématiquement par une fonction évoluée dans le temps. Le modèle le plus utilisé dans la littérature des aérogénérateurs est donné par une composante continue et une somme de plusieurs harmoniques [31], [32]. Dans ce travail, le modèle utilisé est défini par l’équation suivante [10] : 𝑣 (t) = 8 + 0.2 sin(0.10 t) + 2 sin(0,35 t) + sin(1.235 t) + 0.2 sin(3.5 t) (2.1) 2.4 Modélisation de la partie mécanique 2.4.1 Modélisation de la turbine Dans la littérature, d’après le théorème de Bernoulli, on peut exprimer la puissance incidente, due au vent [33], comme suit : 𝑃௜௡௖௜ௗ௘௡௧௘ = 1 2 𝜌 𝑆 𝑣 ଷ (2.2) Où : 𝑆 : la surface balayée par les pales de la turbine 𝑆 = 𝜋𝑅ଶ [m²]; R : la longueur des pales ; 𝜌 : la masse volumique de l’air (ρ=1.225 kg/m à la pression atmosphérique) ;  𝑣 : la vitesse du vent [m/s]. Cependant, à cause de différentes pertes de la puissance extraite du vent, la puissance apparaissant au niveau du rotor a été déterminée par l’équation suivante [34], [35] : 𝑃௧௨௥௕௜௡௘ = 1 2 𝜌 𝑆 𝐶௣ (𝑇𝑆𝑅, 𝛽 ) 𝑣 ଷ (2.3) 𝐶௣ ( 𝜆 , 𝛽 ) est appelé le coefficient de puissance, qui caractérise l’aptitude de l’aérogénérateur à capter de la puissance cinétique du vent. Ce coefficient dépend des caractéristiques de la turbine, du ratio TSR (Tip Speed Ratio), qui exprime le rapport entre la vitesse à l’extrémité des pales et la vitesse du vent, et de l’angle d’orientation des pales β. l’expression du coefficient de puissance peut être écrite comme suit : 𝐶௣ ( 𝑇𝑆𝑅 , 𝛽 )= 𝑐ଵ . ൬𝑐ଶ . 1 𝐴 − 𝑐ଷ .β − 𝑐ସ ൰ . 𝑒 ି௖ఱ . ଵ ஺ (2.4) Où : 1 𝐴 = 1 𝑇𝑆𝑅 + 0.08 − 0.035 1 + βଶ , 𝑇𝑆𝑅 = Ω௧ . 𝑅 𝑣 Et c1, c2, c3, c4, c5 et c6 sont des constantes qui dépendent des caractéristiques de la turbine. En 1920, Albert Betz a déterminé la valeur maximale du coefficient de puissance de l’aérogénérateur 𝐶௣ି୫ୟ୶ ஻௘௧௭ . Elle est appelée la limite de Betz [33]. 𝐶௣ି୫ୟ୶ ஻௘௧௭ = 16 27 = 0.59 La Figure 2.2 montre l’évolution du coefficient de puissance en fonction de TSR pour différentes valeurs de l’angle d’orientation des pales β. La turbine utilisée dans cette étude est de 1.5 MW avec : 𝑐ଵ = 0.5872, 𝑐ଶ = 116, 𝑐ଷ = 0.4, 𝑐ସ = 5, 𝑐ହ = 21 et 𝑐଺ = 0.008. On obtient un coefficient de puissance maximum de 𝐶௣ି௠ = 0.55 pour un ratio de vitesse optimal 𝑇𝑆𝑅௢௣௧௜௠௔௟ = 8.12 et un angle d’orientation des pales β= 0°. En les fixant respectivement à leurs valeurs optimales, le système aérogénérateur fournira une puissance optimale.