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Ce cours est ralis dans le cadre du Projet de coopration scientifique interuniversitaire (PCSI) financ par L'Agence Universitaire de la Francophonie (AUF). Le contenu du cours est un extrait des mmoires, rapports, articles raliss au sein du laboratoire GREAH (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre) de luniversit du Havre (France) dans le cadre des travaux du professeur Cristian NICHITA et du docteur Mirela DRUGA.
Le cours comporte deux parties :
Partie A - Chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance - Fonctionnement dun systme olien de petite puissance
Partie B - Energie solaire photovoltaque - Principe de la conversion de lnergie photovoltaque - Simulation de la chaine de conversion
Le cours sadresse aux tudiants en Licence et en Master. Son contenu est destin des fins acadmiques : cours, travaux dirigs, travaux pratiques. Lutilisation des fins industrielles ainsi que la duplication, traductions titre onreux doivent tre signals lauteur.
Lauteur remercie par avance tous ceux qui par leurs remarques constructives apporteront des amliorations ce cours.
Le Havre, dcembre 2012
Dr. Cristian NICHITA Professeur des universits
UFR des Sciences et Techniques Laboratoire GREAH Universit du Havre
25 rue Philippe Lebon, BP 1123 76 063 Le Havre CEDEX
FRANCE E-mail : [email protected]
PARTIE A
Chane de conversion lectromcanique des oliennes de
petite puissance
Fonctionnement dun systme olien de petite puissance
1
Chapitre I
Chane de conversion
lectromcanique des oliennes de
petite puissance
2
Chapitre I
Chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance
INTRODUCTION .................................................................................................................. 3I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE ......................................................................................... 4
I.1.1 Energie disponible sous diffrentes formes ............................................................... 4I.1.2 Bilan nergtique mondial, quelques chiffres ............................................................ 5I.1.3 Energie et environnement .......................................................................................... 6I.1.4 Energies renouvelables .............................................................................................. 8
I.1.4.1 Energie hydraulique ............................................................................................ 9I.1.4.2 Energie solaire .................................................................................................... 9
I.2 ENERGIE EOLIENNE, oliennes de faible puissance .................................................. 10I.2.1 Historique et dveloppement ................................................................................... 10I.2.2 Le march de lolien ............................................................................................... 12
I.2.2.1 Installations oliennes en Europe...................................................................... 13I.2.2.2 Le petit olien dans les Etats-Unis dAmrique .............................................. 14I.2.2.3 Progression de la Chine dans lindustrie olienne ........................................... 15
I.2.3 Classement des turbines oliennes ........................................................................... 16I.2.3.1 Classement suivant la direction du vent ............................................................ 17I.2.3.2 Classement suivant laxe de la turbine .............................................................. 18
I.2.4 Critres de choix des oliennes ................................................................................ 22I.2.4.1 Considrations sur la taille et sur la puissance des turbines oliennes ......... 22I.2.4.2 Considrations sur la structure dun systme olien ..................................... 23
I.2.5 Champs dapplication des petites oliennes ............................................................ 24I.3 GENERATRICE ELECTRIQUE pour arognrateurs et son lectronique ................. 26
I.3.1 Arognrateurs asynchrones .................................................................................. 26I.3.1.1 Gnratrice asynchrone cage dcureuil ........................................................ 27I.3.1.2 Gnratrice asynchrone rotor bobin ............................................................. 27
I.3.2. Arognrateurs synchrones ................................................................................... 28I.3.2.1 Gnratrice synchrone rotor bobin ............................................................... 30I.3.2.2 Gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP) ..................................... 30
I.3.3 Chanes de conversion d'nergie olienne avec GSAP ............................................ 35
Rfrences bibliographiques ................................................................................................ 41
3
INTRODUCTION
Les nergies renouvelables, issues du soleil, du vent ou de la mer, ont longtemps t
prsentes comme la solution ultime aux problmes nergtiques que connat notre
civilisation, offrant lavantage dtre illimites et non polluantes, mais pas toujours
disponibles un prix "bon march".
Le facteur cl dclencheur de l'intrt initial port aux nergies renouvelables, a t
l'impulsion des crises ptrolires des annes 1970 et les craintes d'puisement des ressources
nergtiques et d'inscurit politique. En consquence, ce nouveau domaine d'intrt, le
"renouvelable", a connu un bond significatif, traduit par un dveloppement accru des activits
lies aux domaines des nergies renouvelables. Pourtant, pendant les annes 1980 et 1990,
quand les craintes des crises lies lnergie se sont vanouies, tandis que les prix des
carburants fossiles ont chut leur niveau le plus bas, les technologies des nergies
renouvelables sont restes toujours coteuses, en dpit des progrs dj raliss.
Combien faut-il dinstallations oliennes pour subvenir aux besoins nergtiques de la
plante? Il s'agit d'une question d'importance cruciale. Les dtracteurs de l'nergie olienne, et
des nergies renouvelables en gnral, affirment souvent que les nergies renouvelables
modernes ne contribueront jamais plus de quelques pourcents la demande mondiale en
nergie, et donc, ne seront pas digne d'tre tudies srieusement. Ce scepticisme est-il
justifi?
Dans ce chapitre, quelques lments de rponse sont apports. Ainsi, un bilan des
ressources nergtiques exploitables est prsent. La technologie olienne actuelle est dcrite
sous la forme dune classification couramment employe, en mettant laccent sur les
oliennes de faible puissance, destines aux particuliers ou des sites isols.
Diffrents types darognrateurs sont exposs, avec diffrentes stratgies
dimplmentation, comprenant des dispositifs dlectronique de puissance et des systmes de
stockage, qui simplifient et facilitent la conversion lectromcanique de lnergie olienne en
nergie lectrique pour des systmes oliens de faible puissance.
4
RadiateurThermocouple
ELECTRO-MAGNETISME
MOUVEMENT
CHALEUR RAYONNEMENT
Moteur lectrique
Gnrateur lectrique
Fre
in
Mot
eur
ther
miq
ue
Lam
pe
Pil
e so
lair
e
Capteur solaire
Flamme
I.1 CONTEXTE ENERGETIQUE
Dans la nature, il existe quatre formes dnergie libre, savoir : lnergie rayonnante
(ou solaire, lumire), lnergie thermique (ou chaleur), lnergie mcanique (ou cintique)
et lnergie lectrique. A partir de ces formes dnergie, il en dcoule douze possibilits de
conversion de lnergie. La Figure I-1 prsente les dix transformations les plus courantes
entre ces diffrentes formes d'nergie, ralisables avec un procd industriel. La conversion
de lnergie rayonnante en nergie mcanique na pas encore dapplication directe, bien que
le phnomne physique est vis dans des systmes en dveloppement, comme le moteur
pression de radiation ou la voile solaire (Naudet & Reuss, 2008 ; Wiesenfeld, 2005).
Figure I-1 : Les principales transformations des formes dnergie libre daprs (Naudet & Reuss, 2008).
I.1.1 Energie disponible sous diffrentes formes
Toutes les formes dnergie issues de sources disponibles dans la nature sappellent
nergies primaires ; ces formes dnergie peuvent tre exploites directement, sans
transformation, ou bien, subir toute une srie de transformations. Le Tableau I-1 prsente les
principales sources dnergie primaire, qui peuvent tre classes en deux catgories: nergies
puisables et nergies renouvelables.
5
Tableau I-1 : Principales sources dnergie daprs (Naudet & Reuss, 2008).
Comme sources dnergie puisable, on peut citer les combustibles, qui peuvent prendre
les formes suivantes:
une forme solide, tels que le charbon, le lignite et la tourbe ;
une forme visqueuse, tel que le ptrole ;
une forme gazeuse, tel que le gaz naturel.
Les nergies renouvelables se trouvent dans la nature sous diffrentes formes, savoir :
l'nergie hydraulique, l'nergie solaire thermique ou photovoltaque, l'nergie olienne, la
biomasse, la gothermique, ou encore, les nergies marines (Naudet & Reuss, 2008 ;
Wiesenfeld, 2005).
I.1.2 Bilan nergtique mondial, quelques chiffres
En 2008, lAgence Internationale de lEnergie a estim la production nergtique
mondiale 12 267 Mtoe. Cette production est absorbe par les secteurs industriels et
domestiques, tels que : le transport, la production de lnergie lectrique ou lusage
domestique (IEA, 2010). La Figure I-2.A prsente la rpartition de la production mondiale de
lnergie. Dans cette figure, on remarque que les sources dnergie fossile reprsentent encore
87.1% de la production totale dnergie lectrique.
En dpit de limpact cologique du charbon sur lenvironnement dans la production de
llectricit, le charbon reprsente 41% des ressources exploites. Ainsi, des 20 181 TWh
produites dans le monde en 2008, 8 263 TWh sont issues du charbon. La Chine et les Etats-
Unis dAmrique comptabilisent eux deux quelques 4 866 TWh issus du charbon, soit prs
Energies puisables Energies renouvelables
Produits carbons tourbe
lignite
houille
anthracite
ptrole
gaz naturel Fission
uranium
Hydraulique Solaire Eolien Gothermie Biomasse
bois
cultures Energie des mers (hydrolien)
6
(B)(A)
de 58% (IEA, 2010). Cette utilisation frntique du charbon peut sexpliquer par labondance
de cette ressource dans certaines zones gographiques du monde et le faible cot
dexploitation.
Figure I-2 : Production de lnergie lectrique : A- production nergtique mondiale. B- production de llectricit dans le monde, daprs (IEA, 2010).
En deuxime position vient le gaz naturel (21.3%), moins polluant que le charbon. Les
Etats-Unis dAmrique ont produit environ 911 TWh dun total de production mondiale
estime 4 301 TWh (IEA, 2010).
En troisime position, le nuclaire, ce mode de production est rserv en gnral aux
pays les plus industrialiss, cause de la complexit du processus de production et des cots
des investissements ncessaires. La France est le pays qui se base le plus dans le monde sur le
nuclaire, dans la production de lnergie lectrique lusage domestique (77.1%) (IEA,
2010). A titre de comparaison, le deuxime pays est lUkraine avec 46.7%. Le ptrole est peu
utilis dans la production de lnergie lectrique. Par contre, il est la ressource principale
utilise dans le transport, o il reprsente environ 95% de lnergie absorbe par ce secteur.
Enfin, seulement 19% environ de la production lectrique mondiale provient des nergies
renouvelables, dont 15.9% proviennent de lhydrolectricit. Pour la production de
llectricit lusage domestique la Norvge occupe la premire place, sa production est
base essentiellement sur lnergie hydraulique, au niveau de 98.5% (IEA, 2010).
I.1.3 Energie et environnement
Les chiffres prsents dans la section prcdente montrent une production et une
consommation nergtique base principalement sur des sources dnergie fossile. Les
consquences environnementales de ces activits sont importantes, cest la raison pour
7
laquelle un Groupement Intergouvernemental dEtude du Climat (GIEC) a t cre par
lOrganisation Mtorologique Mondiale et le Programme des Nations Unies pour
lEnvironnement. Les conclusions du GIEC affirment que les effets climatiques constats
depuis une cinquantaine dannes sont bien attribuables aux activits humaines. Lun de ces
effets engendrs par lactivit humaine est, par exemple, lmission des gaz effet de serre,
tel que le dioxyde de carbone. Selon lAgence Internationale de lEnergie (voir la Figure I-3),
la consommation humaine dnergie fossile a rejet 29 381 millions de tonnes de CO2 en
2008 (IEA, 2010). En consquence, le phnomne de laugmentation de la temprature
moyenne des ocans et de latmosphre sest acclr ces dernires dcennies, provoquant
une dcroissance spectaculaire de la surface des glaciers et des banquises. Ces derniers jouent
pourtant un rle trs important dans la rgulation de la temprature de la plante, en renvoyant
une partie du rayonnement du soleil dans l'atmosphre.
Figure I-3 :Rpartition des missions de CO2 par type de ressource nergtique, daprs (IEA,
2010).
En plus, les nombreuses catastrophes cologiques lies lindustrie de lnergie ont
aussi un fort impact sur la temprature moyenne de la terre. A titre dexemple, dans
lindustrie ptrolire, les ctes bretonnes ont t pollues plusieurs reprises. En effet
lAmoco Cadiz et lErika reprsentent des noms tristement clbres pour cette rgion, les
mares noires se sont produites respectivement en mars 1978, et dcembre 1999. Plus
rcemment encore, lexplosion de la plateforme de forage de British Petrolium (BP), en avril
2010, a provoqu la plus grande catastrophe cologique dans lhistoire des Etats-Unis
dAmrique. Les consquences de ce genre daccidents sont toujours dsastreuses pour la
8
faune, la flore et les activits humaines, telles que la pche, lostriculture, ou encore le
tourisme, qui se voient payer le prix fort.
Un autre type dnergie dont les accidents potentiels peuvent tre trs nfastes pour
lenvironnement, est lnergie nuclaire. Mme si les accidents lis au nuclaire sont
heureusement moins nombreux que dans lindustrie ptrolire, les consquences sont
gnralement dramatiques. La catastrophe de Tchernobyl en Ukraine (1986) et Fukushima au
Japon (2011) sont de remarquables exemples. Depuis la dernire catastrophe, un vif dbat sur
le nuclaire sest poursuivi entre opposants et favorables, dbat qui existe en effet depuis les
annes 70. A noter que l'Allemagne, qui produit 22% de son lectricit avec le nuclaire, a
dcid de fermer son dernier racteur en 2022.
Il est vrai que le processus de conversion de lnergie nuclaire en nergie lectrique,
ne produit pas de gaz effet de serre. Aussi, dans loptique de la lutte contre le rchauffement
climatique, cette source dnergie reprsente une solution viable et existante pour respecter les
engagements pris par diffrents Etats, dont la France, de rduire leurs missions de CO2.
Cependant, le risque zro nexiste pas. En effet, le scnario catastrophe de Fukushima au
Japon (Mars 2011), fort sisme suivi dun tsunami, vient de rappeler la vulnrabilit des
installations nuclaires dans des conditions extrmes. En plus des problmes de scurit de
fonctionnement des centrales nuclaires, le traitement des dchets radioactifs reprsente une
forte contrainte pour cette industrie. La solution mondialement adopte pour le moment
consiste en lentreposage en surface ou en sous-surface ( quelques dizaines de mtres sous
terre) des dchets. En France, une solution de stockage gologique a t vote par le
parlement rcemment (2006), et elle sera mise en application dans les annes suivantes (2012-
2015).
I.1.4 Energies renouvelables
En plus de limpact environnemental engendr par lutilisation des nergies fossiles, la
dpendance vis--vis de ces nergies a provoqu des tensions conomiques et gopolitiques,
car ces rserves nergtiques sont puisables et ne sont pas quitablement rparties. En plus,
mme si lutilisation des nergies fossiles est rduite dune manire significative en
amliorant son rendement, laugmentation de la population mondiale et la demande en
nergie de plus en plus importante des pays mergeants acclrera la fin des nergies fossiles
disponible et bon march .
9
Ainsi, on peut dire que les nergies renouvelables reprsentent la solution viable pour
rpondre la demande nergtique tout en respectant lenvironnement. Par dfinition, une
nergie renouvelable est inpuisable et elle peut prendre plusieurs formes. Les nergies
renouvelables, finalit lectrique, les plus utilises en ce moment sont lhydraulique, le
solaire photovoltaque et lolien. Dans ce qui suit, les nergies hydraulique et photovoltaque
seront dcrites brivement, lnergie olienne tant plus dtaille dans la deuxime partie de
ce chapitre, car elle est au centre de ce prsent travail.
I.1.4.1 Energie hydraulique
L'nergie hydraulique est incontestablement la forme dnergie renouvelable la plus
utilise dans la production de l'lectricit, estime environ 16% de la production mondiale
dlectricit (voir la Figure I-2). Historiquement, la production dlectricit partir de la force
de leau a commenc au milieu du XIXe sicle (Clment, et al., 2002). Certains pays trs
riches en ressources hydrauliques, comme la Norvge, le Brsil et le Venezuela, se basent
essentiellement sur cette ressource pour la production de llectricit lusage rsidentiel. Ces
pays produisent respectivement 98.5%, 79.8% et 72.8% de leur lectricit en utilisant
lhydraulique (IEA, 2010). Les ressources marmotrices, de la houle et celles des courants
marins, prsentent un fort potentiel de production dnergie lectrique. En effet, la France
possde lune des plus grandes installations marmotrices du monde (La Rance) avec une
puissance de 240 MW et une production annuelle de 0.5 TWh (Geraud, 2002).
Les ressources de la houle sont trs importantes et de nombreux travaux de recherche
dans le monde ont montr la faisabilit de leur utilisation, via de diffrents principes
dexploitation (Clment, et al., 2002). Cependant, les sites exploitables sont peu nombreux et
lacceptabilit des riverains nest pas vidente. Le dveloppement de lnergie lectrique
olienne offshore pourrait tre avantageusement coupl une production par les vagues o
lon pourrait mettre en commun les coteuses infrastructures de gnie civil (Geraud, 2002).
I.1.4.2 Energie solaire
Le rayonnement solaire peut tre exploit en concentrant les rayons pour chauffer un
liquide, ce que lon appelle couramment lnergie solaire thermique. Le second procd
consiste utiliser des panneaux photovoltaques pour produire de l'lectricit.
Lnergie solaire thermique est industrialise depuis plus de 25 ans, elle est
actuellement en phase de croissance acclre aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. Des
10
projets en cours dtudes existent, tel que le gigantesque projet Desertec , qui consiste
interconnecter plusieurs centrales solaires thermiques et centrales oliennes de lAfrique du
Nord et du Moyen Orient lEurope (Desertec, 2011).
Lnergie photovoltaque est obtenue par la conversion du rayonnement solaire en
nergie lectrique en utilisant les panneaux photovoltaques, composs de cellules
photovoltaques base de silicium. Ces cellules ont la capacit de transformer lnergie
photonique en nergie lectrique. Les panneaux solaires ont lavantage dtre faciles
installer, avec une bonne intgration dans les btiments. Ils apportent une bonne rponse aux
besoins nergtiques limits dans les sites isols et disperss (tlcommunication, balises
maritimes, etc.) (Lopez, 2008). Les principaux inconvnients des panneaux photovoltaques
rsident dans le cot de fabrication, et la pollution induite par la technologie employe la
production de ceux-ci.
En raison des caractristiques lectriques fortement non linaires des cellules et de
leurs associations, le rendement des systmes photovoltaques peut tre augment par des
solutions qui utilisent la technique, dsormais classique et prouve, de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracking ou MPPT) (Drug, 2006). Cette
solution est galement et largement employe dans la production dnergie olienne.
I.2 ENERGIE EOLIENNE, oliennes de faible puissance
I.2.1 Historique et dveloppement
Lnergie olienne est lune des plus anciennes nergies utilises par lhomme. Des
vestiges de dispositifs fonctionnant avec le vent remontent 900-500 AJC, trouvs la
frontire perso-afghane (Mons, 2005 ; Twidel & Weir, 2006). Ces dispositifs taient utiliss
pour pomper leau, mais on na trouv, ce jour, aucune trace de mthodologies utilises pour
lextraction et le transport de leau. En Europe, les moulins vent ont fait leur apparition au
13me sicle. En plus de la fonction du meulage, lnergie olienne tait aussi utilise pour le
pompage de leau, surtout aux Pays-Bas (Kaldellis & Zafirakis, 2011). Aprs plusieurs
perfectionnements aux tats-Unis, au 19me sicle, on pouvait compter environ 6 millions de
petites stations de pompage de leau, fonctionnant lnergie olienne (Mons, 2005). Un des
premiers dispositifs olien pour gnrer de llectricit a t dvelopp au Danemark, en
1891. Au mme moment, aux Etats-Unis dAmrique, la machine de Brush, dune puissance
11
de 12 kW, remportait un relatif succs, mais, trs vite, elle a t dlaisse cause de sa faible
vitesse de rotation.
De nos jours, la capacit de production de llectricit partir du vent dpasse les 200
GW. Une progression consquente et soutenue a t enregistre depuis 2001 (voir la Figure I-
4). En effet, la capacit de production de l'nergie lectrique partir de l'nergie olienne
apparemment double, tous les trois ans. Ce boom peut sexpliquer par le fait que lnergie
olienne est propre, durable et reprsente une solution alternative aux combustibles fossiles.
En tenant compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffrentes
technologies, on saperoit que lnergie olienne est la moins polluante avec seulement 9 g
de CO2 par kWh. Seul le nuclaire est en mesure de rivaliser avec les nergies renouvelables
avec seulement 10 g de CO2 mis par kWh. Cependant, les consquences dun accident
nuclaire peuvent tre dsastreuses (Techrnobyl en 1986 et Fukushima en 2011). En plus, les
dchets radioactifs gnrs sont complexes traiter et ont une trs longue dure de vie.
Le Danemark est lun des pionniers dans le dveloppement de lnergie olienne. En
effet, Pool La Cour mit en place une installation olienne en 1891, voir Figure I-4.C,
entranant une gnratrice courant continu. Le fait remarquable est que Pool La Cour sest
heurt au problme du stockage de lnergie lectrique, ds le dbut. Sa solution consistait
dans la production dhydrogne par l'lectrolyse. Ainsi, lclairage de la ville dAskov a t
assur par ce dispositif entre les annes 1885 et 1902 (Hau, 2006).
A partir du sicle dernier, et jusquau premier choc ptrolier (1973), le cot des
nergies fossiles tait bas et plusieurs dcouvertes de gisements ptroliers avaient rservs un
bel avenir cette industrie. Aussi, il est noter que durant cette poque, le dbat sur limpact
cologique des nergies fossiles navait pas encore vu le jour. Le premier choc ptrolier de
1973 reprsente un tournant dans la stratgie nergtique des pays non producteurs de ptrole.
Afin de remplacer le ptrole devenu trop cher, plusieurs secteurs ont connu un fort essor, tels
que le nuclaire, lhydraulique, lolien et le solaire. Un march du petit olien sest aussi
dvelopp au Danemark durant les annes 80. En effet, plusieurs agriculteurs se sont quips
avec des petites oliennes, dune puissance de 50 kW pour 15 m de diamtre.
12
Figure I-4 : Diffrents oliennes : A- Reconstitution dune olienne perse 900-500 AJC. B- Moulin vent sur la cte mditerranenne. C- Eolienne de Poul La Cour, premire unit de production dlectricit en 1891. D- Eolienne tripale avec une structure de soutien dune puissance de 200 kW, Danemark 1960. E- Eolienne bipale 200 kW programme NASA 1980. F- Petite eolienne en site isol au Danemark 1985. Daprs (Kaldellis & Zafirakis, 2011 ; Dodge, 2011 ; Hau, 2006)
I.2.2 Le march de lolien
Lolien a eu une croissance moyenne annuelle de 40% ces cinq dernires annes,
comme il est mis en vidence dans la Figure I-5. Ainsi, entre 2009 et 2010 la capacit de
production sest vue augmente de plus de 40 GW.
(A) (B) (C)
(D) (E) (F)
13
Figure I-5 : Evolution de la capacit mondiale de production en nergie olienne daprs (WWEA, 2011).
Ce dveloppement s'est surtout exprim en Asie ces dernires annes. En effet, mme
si lEurope elle seule compte encore environ 50% des installations oliennes dans le monde,
on remarque dans la Figure I-6 une augmentation significative du pourcentage des
installations oliennes asiatiques sur le total des installations mondiales entre 2008 et 2010.
Figure I-6: Evolution du pourcentage de la puissance olienne install par continent, daprs (EurObserv'ER, 2009, 2010 & 2011).
I.2.2.1 Installations oliennes en Europe
LEurope est actuellement le leader mondial dans le domaine de lnergie olienne. En
2010, lEurope comptait 45% des installations mondiales, avec une capacit de production qui
atteint les 85 GW (voir la Figure I-7). Huit groupes industriels europens se retrouvent parmi
les premiers dix constructeurs doliennes au monde (environ 43% de part de march). A titre
dexemple, on peut citer les constructeurs Danois Vestas (38 000 oliennes installes pour
14
14% de part de march) et le constructeur allemand Enercon, avec 12 500 oliennes installes
pour 8.5% de part de march en 2008 (energie-renouvelables, 2009).
Figure I-7 : Evolution de la capacit de production en nergie olienne cumule en Europe daprs (EWEA, 2008 ; 2010).
Le march du petit olien est assez rcent compar lindustrie olienne de grande
puissance, dj bien implante. Comme tout nouveau secteur, plusieurs entreprises se sont
cres pour dvelopper, construire et/ou distribuer ces systmes. En effet, on peut compter
une cinquentaine dentreprises. Quelques-unes d'entre elles ont disparus, ou ont chang de
secteur dactivit. A titre dexemple, on peut citer le Danois NordTank, le Neerlandais
Euroturbine ou lEspagnol Navantia-Siemens. Dautres ont t absorbes par de grands
groupes (thewindpower, 2010). Lannexe I liste les constructeurs de petites oliennes, le
tableau a t construit en croisant plusieurs donnes disponibles (smallwindindustry, 2005 ;
thewindpower, 2010 ; allsmallwindturbines, 2011 ; energy.sourceguides, 2011). Le petit
olien urbain, connect au rseau, est une specificit europennne car lEurope dispose dun
rseau lectrique assez dense. Le Royaume-Uni est le leader dans le march europan du petit
olien. En effet, le BWEA (British Wind Energy Association) estime la production par le petit
olien 1,2 GW en 2020 (Zervos & Kjaer, 2009).
I.2.2.2 Le petit olien dans les Etats-Unis dAmrique
Mme si la crise conomique de 2008 a frein le dveloppement du renouvelable
lchelle mondiale, la progression du march du petit olien a connu une progression de 15%
en 2009. Avec 21 000 units vendues en 2009 et une capacit de production de 42 MW (34.4
MW connects au rseau et 7.6 MW non connects au rseau), le march amricain continue
reprsenter environ 50% du march mondial.
15
Figure I-8 : Evolution du nombre des turbines oliennes par gamme de puissance pour la priode 2006-2009 aux USA. Daprs (AWEA, 2010).
La Figure I-8 illustre la progression des ventes des petites oliennes de 2006 2009,
en fonction de la puissance olienne installe (AWEA, 2010). A partir de la Figure I-8, on
peut tirer quelques conclusions sur la tendance de lvolution du march du petit olien aux
Etats Unis. En effet, on y remarque une stagnation du "trs petit" olien (infrieur 1 kW) et
une nette augmentation des ventes des oliennes dont la puissance est comprise entre 1 kW
et 100 kW. Cela sexplique par le fait que la technologie tend devenir un bon march et
donc, accessible aux particuliers. Ces oliennes sont destines tre connecte au rseau,
pour que le surplus de production en nergie lectrique soit vendu aux oprateurs. Cela
reprsente un gain pour le propritaire et aussi une alternative la problmatique du stockage
de lnergie lectrique.
I.2.2.3 Progression de la Chine dans lindustrie olienne
L'industrie olienne chinoise a connu une forte croissance ces dernires annes. En
effet, la capacit olienne totale installe entre 1985 et 2002 ne reprsente que 1,8% de la
capacit totale installe au cours des sept annes coules entre 2003 et 2009 (Qiu & Anadon,
2011). De plus, la Chine est passe du 5me pays en termes de nouvelles installations oliennes
en 2005 la premire place en 2009 (GWEC,2011).
16
Figure I-9 : Evolution de la capacit de production en nergie olienne cumule en Chine daprs (Qiu & Anadon, 2011).
A partir de la Figure I-9, on remarque quentre 2005 et 2009, la Chine doublait sa
capacit de production chaque anne. Cette progression sexplique en partie par une politique
soutenue de dveloppement des nergies renouvelables, notamment la loi des nergies
renouvelables approuve en 2005 (NPC, 2005), et les plans de dveloppement des nergies
renouvelables moyen et long terme tablies en 2007 (NDRC, 2007).
Dun point de vue conomique, lnergie olienne nest pas encore comptitive
compare celle issue du charbon. A titre dexemple, le prix du kWh olien varie entre 51 et
61 cents, tandis que celui issu du charbon se situe aux alentours de 35 cents. Cela na pas
empch les autorits chinoises investir massivement dans lnergie olienne (Qiu &
Anadon, 2011). Ces efforts ont t payants car, en 2009, deux groupes chinois entrent dans le
top 10 mondial des constructeurs doliennes. En effet, les deux groupes Sinovel (class 3) et
Goldwin (class 5) se partagent dj 16.6% de parts de march, quand le danois Vestas
occupe la premire place avec 14.5%. Il est noter que le constructeur franais Vergnet
occupe la 10me place avec 0.05% de part de march (Energie-renouvelables, 2009). Avec
cette dynamique, la Chine occuperait la premire place mondiale dans les cinq prochaines
annes venir, car le march olien chinois est consquent.
I.2.3 Classement des turbines oliennes
Dans la littrature de spcialit, on trouve diffrents types de classement pour les
turbines oliennes. Classiquement, elles sont classes selon la direction du vent (oliennes
sous le vent, olienne face au vent), ou selon laxe de la turbine (oliennes axe horizontal,
oliennes axe vertical).
17
(B)(A)
I.2.3.1 Classement suivant la direction du vent
I.2.3.1. A Eolienne face au vent
Ces oliennes sont les plus rpandues, les plus courantes. Leur rotor est orient dans la
direction du vent, afin que le vent an amont ne soit pas perturb par le pylne, comme on le
voit sur la Figure I-10.A. A larrire du pylne, un effet de fortes perturbations du vent est
ressenti, l'coulement de l'air tant ralenti par lobstacle que forme le pylne. Il en est de
mme devant le pylne, mais dans une moindre proportion. Le rotor se trouve une certaine
distance du pylne, mais chaque fois quune des ples passe devant celui-ci, la puissance
instantane de lolienne diminue brivement. Ce phnomne est cependant compens par la
forte inertie de lhlice. Les ples des oliennes face au vent doivent tre rigides pour ne pas
risquer de heurter le pylne par fort vent. Ceci est linconvnient majeur de ce type de
structure. En plus, il est obligatoire de munir lolienne dun mcanisme dorientation, afin
que le rotor soit toujours face au vent. Si elle pivotait librement, elle aurait tendance se
mettre naturellement sous le vent, comme un drapeau. Le rotor face au vent est dans une
position dquilibre instable, contrairement la position du rotor sous le vent.
I.2.3.1. B Eolienne sous le vent
Une olienne sous le vent a une construction plus lgre quun modle face au vent.
Leur rotor se situe derrire le pylne, comme le montre la Figure I-10.B. Ces oliennes sont
plus simples, puisque le positionnement du rotor se fait naturellement, en fonction de la
direction du vent.
Figure I-10 : Type dolienne selon la direction du vent : A- olienne face au vent. B- olienne sous le vent.
Les ples du rotor peuvent tre plus flexibles, ce qui allge leur construction et
diminue ainsi la taille du pylne. Par fort vent, la flexion des ples enlve une partie de
leffort de pousse sur le rotor. Par contre, le pylne (bien quil soit plus petit) fait obstacle au
18
(A)
(A) (B) (C)
vent et lorsque la ple passe dans lombre de celui-ci, elle subit une forte variation deffort de
flexion et de rotation. Ceci augmente le risque de rupture de la ple par fatigue des matriaux
et gnre une production fluctuante dlectricit.
I.2.3.2 Classement suivant laxe de la turbine
I.2.3.2. A Eolienne axe horizontal
Cest la structure la plus rpandue dans les installations oliennes, cause de sa faible
emprise au sol et son efficacit nergtique (voir la Figure I-11). Ces oliennes captent le vent
en hauteur et loin du sol, le vent tant beaucoup moins ralenti ou influenc par le relief. A
dimension de pale identique, on pourra produire plus de puissance par le biais de cette
structure par rapport aux oliennes axe vertical. Lemprise au sol reprsente un autre
avantage par rapport aux oliennes axe vertical. En effet, seule la tour occupe de la place au
sol et elle contient gnralement tous les systmes de raccordement.
Figure I-11 : Eoliennes axes horizontal : A- Tripale Excel (7 m 10 kW). B- Bipale Scirocco (5 m - 6 kW). C- Tripale Hummer (9 m 20 kW), daprs (Multon, et al., 2002 ; Eoltec, 2011 ; Hummer,2011).
La plupart des oliennes modernes vendues sur le march sont de conception tripale.
La slection du nombre de ples dpend du profil du vent, du potentiel olien du site et du
fonctionnement de la machine lectrique. Une olienne deux ples a l'avantage d'conomiser
le cot d'une pale et de son poids quivalent, cependant, la vitesse de rotation ncessaire pour
produire en sortie la mme nergie est plus leve. Ceci est un inconvnient, la fois en ce
qui concerne le rendement, mais aussi pour le bruit et la pollution visuelle.
19
(A) (B)
(C)
(D)
I.2.3.2.B Eolienne axe vertical
Les oliennes axe vertical fonctionnent sur le mme principe que les roues
hydrauliques, avec une direction du vent perpendiculaire laxe de rotation. La conception
verticale offre lavantage de mettre le multiplicateur et la gnratrice au sol directement, mais
cela impose que lolienne fonctionne avec le vent proche de sol, en consquence, moins fort
quen hauteur. Un autre avantage est le fait que le vent peut provenir de toutes les directions,
sans avoir besoin orienter le rotor. Par contre, ce type dolienne ne peut pas dmarrer
automatiquement, il faut la lancer, ds lapparition dun vent suffisamment fort pour
permettre la production. Ses inconvnients, allis la faible efficacit de la conversion
dnergie olienne, ont fortement limits le dveloppement de ces oliennes, laissant place
aux arognrateurs axe horizontal.
Figure I-12 : Illustration doliennes axe vertical : A- olienne type Darrieus. B- olienne type Darrieus de forme hlicodale UGE-4K. C- olienne type Darrieus de forme H. D- olienne type Savonius WS-4B, daprs (urbangreenenergy ; allsmallwindturbines ; windside, 2011).
Le premier modle construit de manire industrielle fut lolienne de Darrieus,
(Figure I-12.A), daprs la conception de lingnieur franais Georges Darrieus, qui breveta la
conception en 1931. Elle se caractrise par ses deux ou trois pales en forme de C. De nos
jours, des petites oliennes de type Darrieus sont encore utilises, dites de forme H ou
hlicodale, prsentes dans la Figure I-12.B et Figure I-12.C. On trouve des oliennes axes
verticaux dveloppes pour la production dlectricit dans les zones isoles ou en site urbain.
Ce sont de machines de faible puissance, entre 100 W et 25 kW. Elles sont destines des
20
utilisations permanentes, par exemple la charge de batteries servant alimenter un chalet en
montagne, ou, comme le montre la Figure I-12.D, des installations sur le toit dun immeuble,
pour alimenter les parties communes (Windside, 2011).
Cependant, les recherches et innovations se poursuivent pour faire revenir les
oliennes axe vertical en pratique.
Avantages des oliennes axe vertical:
La gnratrice, le convertisseur, le multiplicateur, peuvent tre placs sur le sol, ce qui
reprsente une conomie considrable dans les cots dinstallation et dentretien.
Un mcanisme d'orientation n'est plus ncessaire pour faire tourner le rotor contre le vent.
Inconvnients des oliennes axe vertical:
Le rendement global des oliennes axe vertical est infrieur celles dotes d'un axe
horizontal, car la vitesse du vent est plus faible au niveau du sol.
Des haubans sont parfois ncessaires pour la tenir debout, et les haubans ne sont pas
pratiques dans les zones agricoles exploites intensivement.
I.2.3.2.C Eolienne ples non conventionnelles
Les oliennes bases sur l'effet Magnus, utilisent des cylindres tournant sur eux-
mmes. Ces cylindres tournent autour de leur axe de rvolution et subissent le courant dair
(le vent). Il sen produit alors une force transversale la direction du vent, cest leffet
Magnus, qui fait tourner l'arbre olien. Sur certains prototypes, les cylindres sont entrans par
des petits moteurs courant continu, aliments par des batteries. L'introduction de nouvelles
machines dans la chane de conversion, constitue un dsavantage en terme de rendement du
systme global.
Lolienne prsente dans la Figure I-13.A produit 0.5 kW, mais utilise deux moteurs
courant continu de 12 V chaqun (ARDESHE, 2006). La Figure I-13.B prsente un prototype
dvelopp aux Etats-Unis dAmrique, ce dernier produit 150 kW, mais 10% de la puissance
produite sert entraner les cylindres (Schefter, 1983). Les cylindres surface lisse requirent
une grande vitesse d'entranement (40 60 tr/min), ce qui conduit une plus grande
consommation lectrique, do une plus grande perte par rapport lnergie produite. Pour
pallier ce problme, des ailettes en spirales ont t rajoutes aux cylindres (Figure I-13.C),
ce qui permet de capter le vent et de lutiliser en mme temps pour faire tourner les cylindres,
et de rduire ainsi lentranement lectrique de ces derniers (Mecaro, 2007). Dune manire
21
(A) (B) (C)
(A) (B)
gnrale, les oliennes effet Magnus prsentent lavantage du contrle de la vitesse de
rotation des ples. En effet, en cas de vent violent, ce type d'olienne n'a pas besoin des freins
ou d'autres systmes mcaniques quivalents, car il suffit d'arrter la rotation des cylindres.
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Les modles industriels perchs 330 mtres de hauteur sont capables de dbiter
2 kW. Ces modles comportent deux arognrateurs, un de chaque ct du ballon (Radisch,
2008). Lavantage de recourir un ballon gonfl lhlium (Figure I-14.A) est que, non
seulement lolienne se dbarrasse de son mt, mais en plus elle capte en permanence les
mouvements de lair qui sont toujours prsents en altitude, et dispose d'un coulement stable.
22
Lentre de gamme pour les particuliers commence 2 kW, ce qui convient parfaitement
des applications en site isol, par exemple le pompage (voir la Figure I-14.B).
I.2.4 Critres de choix des oliennes
I.2.4.1 Considrations sur la taille et sur la puissance des turbines oliennes
Les grandes machines sont habituellement en mesure de livrer de l'lectricit un cot
infrieur celui des machines plus petites. La raison en est que le cot des fondations, de la
construction de routes, du raccordement au rseau lectrique, plus un certain nombre des
composants de l'olienne (le systme de contrle lectronique, etc.) sont quelque peu
indpendants de la taille de la machine.
Les plus grandes installations sont particulirement bien adaptes pour l'nergie
olienne offshore. En effet, le cot des fondations n'augmente pas proportionnellement la
taille de la machine. Le rseau lectrique local nest pas adapt, en gnral, pour supporter la
production lectrique d'une grande machine. Cela peut tre le cas dans les rgions isoles ou
loignes par rapport au rseau lectrique de distribution, avec une faible densit de
population et, en consquence, une faible consommation d'lectricit.
Figure I-15 : Illustration de la taille des oliennes en fonction leur puissance produite.
La Figure I-15 prsente une illustration de la taille des oliennes en fonction de la puissance
produite par celles-ci. Les considrations esthtiques du paysage dpendent de la perception
des populations locales. Certaines personnes aiment voir des machines de taille imposante et
les attachent leur propre identit. Dautres ne veulent pas voir des structures extraordinaires
et imposantes, dans leur paysage naturel. La vitesse de rotation joue galement un rle trs
23
important dans la perception des oliennes dans le paysage. En effet, une faible vitesse de
rotation attire moins lattention qu'une plus grande. Dans des pays o la disponibilit d'un
rseau puissant pour absorber lnergie olienne, sans perte de stabilit, n'est pas un problme,
la question d'une zone des petits ou des grands rotors devient insignifiante. Il y a une tendance
claire prfrer les grandes machines en raison de l'avantage conomique que prsente un
rotor avec un grand diamtre. Cependant, le choix entre des machines de grandes puissances
et celles de faible puissance devient un critre important dans les pays en dveloppement,
comme l'Inde, o la slection des grosses machines peut devenir inapproprie en l'absence de
la disponibilit d'un rseau lectrique solide face aux perturbations engendres par les
installations oliennes.
I.2.4.2 Considrations sur la structure dun systme olien
Les oliennes sont soumises des vents variables, et donc des forces fluctuantes.
Ceci est particulirement le cas si elles sont situes dans un climat de vent trs turbulent. Les
composants du systme qui sont soumises des flexions rptes, comme les ples, peuvent
ventuellement dvelopper des fissures. La fatigue du mtal est un problme bien connu dans
des nombreux produits techniques. Lors de la conception d'une olienne, il est extrmement
important de calculer l'avance comment les diffrentes composantes vont se mettre vibrer,
individuellement et/ou conjointement. Il est galement important le calcul des forces
impliques dans chaque flexion ou tirement d'un seul composant du systme olien.
titre d'exemple, une olienne a tendance se balancer, disons, toutes les trois
secondes. La frquence laquelle la tour oscille en avant et en arrire est galement connue
comme la frquence propre du mt. La frquence propre dpend de la hauteur de ce dernier,
l'paisseur de ses murs, le type d'acier utilis sa fabrication, le poids de la nacelle et du rotor.
Ainsi, chaque fois qu'une ple du rotor passe devant le mt, le rotor va pousser un peu moins
contre le mt. Par consquent, il est trs important de connatre les frquences propres de
chaque composant, afin de concevoir ou dimensionner une olienne sre, avec une matrise
parfaite de son fonctionnement.
24
I.2.5 Champs dapplication des petites oliennes
Les diffrents champs d'application des petites oliennes sont rsums dans le Tableau
2. Il existe deux grands marchs pour les oliennes de petite puissance, savoir, connectes et
non connectes au rseau. A partir du Tableau 2, on remarque que les oliennes en site isol
peuvent avoir plusieurs champs dapplication dans diffrents domaines.
En fonction de la taille de l'olienne et de la demande en nergie lectrique, on peut
identifier trois systmes, savoir :
- systme olien autonome,
- systme olien hybride, coupl d'autres sources d'nergie renouvelable
(olien-photovoltaque, pile combustible, etc.),
- systme olien hybride avec un gnrateur disel (olien-disel).
Les oliennes de trs petite puissance (puissance infrieure 1 kW) sont trs utilises
dans les sites isols. Associes des batteries de stockage, ces oliennes fournissent une
tension quasi-continue. Les constructeurs spcialiss dans ce type doliennes sont Marlec,
Amper et Southwest.
Les systmes hybrides mentionns dans ce tableau rfrent des systmes oliens
combins avec le photovoltaque par exemple. La puissance gnre par ce type dinstallation
est gnralement infrieure 50 kW. Les principaux constructeurs dans la fabrication de ce
type dolienne sont Proven, Bornay, Windeco. Les configurations hybrides (olien-disel)
rfrent des systmes dont la puissance est gnralement, suprieure 50 kW. En effet, la
combinaison de lolien avec le diesel est trs rpandue dans les sites isols o la demande en
nergie est assez importante.
Trois types de systmes olien-diesel peuvent tre identifis, en fonction de leur
pntration, savoir: systme olien-diesel faible pntration, moyenne pntration,
respectivement, systme olien-diesel forte pntration. La diffrence entre ces trois modes
rside dans les degrs de libert de la commande du systme multi-source.
Les systmes oliens connects au rseau peuvent eux aussi rpondre plusieurs types
dapplications. Par exemple, ils sintgrent parfaitement aux applications en milieu urbain.
Cependant, des contraintes conomiques lgales et lies lespace disponible, peuvent se
poser avec ce type dapplication.
CHAPITRE I __ Etat de l'art sur la chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance.
25
Applications
Puissance
Systme olien-diesel Parc olien
Systme hybride Eolienne seule
Systme olien Eolien urbain
P < 1 kW X X X X X X X X X X X
P > 1 kW P < 7 kW
X X X X X X X X X X X X X X X
P > 7 kW P < 50 kW
X X X X X X X X X
P > 50 kW P < 100 kW
X X X X X
App
lica
tion
s
Voi
lier
s
Sig
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sati
on
Ecl
aira
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king
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Zon
es in
dust
riel
les
Gra
ndes
zon
es in
dust
riel
les
Fer
mes
agr
icol
es
Isole Connecte au rseau
Tableau I-2 : Champs dapplications des petites oliennes, daprs (EWEA 2010).
CHAPITRE I __ Etat de l'art sur la chane de conversion lectromcanique des oliennes de petite puissance.
26
I.3 GENERATRICE ELECTRIQUE pour arognrateurs et son lectronique
Diffrents types de gnratrices lectriques peuvent tre utiliss pour convertir
lnergie mcanique produite par le mouvement de larbre olien en nergie lectrique, en
d'autres mots, pour la gnration de l'nergie olienne. Des facteurs techniques et
conomiques dterminent le type de la machine employe pour chaque application. Quatre
grandes familles se dmarquent, savoir :
- les machines asynchrones rotor bobin ou rotor de type cage dcureuil,
- les machines synchrones excitation spare ou aimants permanents,
- les machines reluctance variable,
- les machines courant continu excitation spare ou aimants permanents.
Les machines synchrones et asynchrones sont les deux types des machines lectriques les
plus utiliss dans lindustrie olienne.
I.3.1 Arognrateurs asynchrones
Lutilisation des machines lectriques asynchrones est avantageuse, car elles sont
relativement peu coteuses, robustes et elles ncessitent peu d'entretien. Leur inconvnient
majeur est la consommation dun courant ractif de magntisation au stator (Lopez, 2008).
Elles sont bien adaptes des vitesses de rotation importantes, mais elles prsentent le dfaut
dimposer la prsence dune bote de vitesse, c'est dire d'un multiplicateur de vitesse. Les
Figures I-16.A.B.C et D montrent les topologies les plus courantes rencontres dans les
applications utilisant des arognrateurs machines asynchrones (Hansen, et al., 2001 ;
Multon, et al., 2004)
(B)
RseauMultiplica-
teur
GAS
Convertisseur
(A)
Condensateurs
Rseau Multiplica-
teur
GA S
Convertisseur
27
Figure I-16 : Illustration des diffrentes configurations utilisant la gnratrice asynchrone.
Dans le domaine de la gnration dnergie olienne couple au rseau, les machines
asynchrones cage dominent encore, car elles offrent des performances attractives en termes
de cot dinvestissement, tout particulirement dans les systmes vitesse fixe, o elles sont
directement connectes au rseau. Mais lorsquil sagit de raliser un entranement vitesse
variable, on leur prfre plutt les machines rotor bobin doublement alimentes, qui offrent
dexcellents compromis performances/cot.
I.3.1.1 Gnratrice asynchrone cage dcureuil
Les machines asynchrones cage ne ncessitent quune installation assez sommaire.
Elles peuvent tre utilises dans les systmes oliens qui fonctionnent vitesse fixe de
rotation. Par ailleurs, elles sont les plus simples fabriquer et les moins coteuses, car elles
ont t fabriques en grande quantit et sur une trs grande chelle de puissance. La demande
en puissance ractive est compense par la connexion dun groupe de condensateurs en
parallle avec le gnrateur. Dans la plupart des cas, un convertisseur statique de puissance
est utilis pour un dmarrage plus doux (voir la Figure I-16.A). Une solution couramment
employe consiste utiliser des machines asynchrones cage deux configurations polaires
du bobinage statorique, qui procurent ainsi deux vitesses de synchronisme.
I.3.1.2 Gnratrice asynchrone rotor bobin
Les machines asynchrones rotor bobin offrent un potentiel conomique attractif
pour la variation de vitesse. Malgr un surcot (machines non standard et construction plus
complexe) par rapport une machine cage et la prsence dun systme de bagues et balais
(C)
GA S
Multiplica-teur
Convertisseur
Rseau
(D)
GAS
Multiplica-teur Rseau
Convertisseur
28
triphas, elles permettent dexploiter des variateurs lectroniques de puissance rduite
(Multon, et al., 2002).
Une des configurations la plus utilise dans le march des turbines oliennes et pour
des applications vitesse variable en pleine croissance, est la gnratrice asynchrone
doublement alimente (GADA). Son stator est directement reli au rseau de puissance et le
rotor est connect un convertisseur de type source de tension, qui fait office de variateur de
frquence. Ce systme permet un fonctionnement vitesse variable sur une plage spcifique
de fonctionnement. Si la variation de vitesse reste rduite autour de la vitesse de
synchronisme, le dimensionnement du convertisseur de frquence (implicitement le cot de
l'lectronique de puissance) peut tre rduit. Ces machines ncessitent toujours un
multiplicateur de vitesse. Cependant le rapport du multiplicateur de vitesse est moins
important car les vitesses de rotation nominales sont dhabitude moins leves que celles des
machines asynchrones cage.
Les avantages et inconvnients de la GADA sont brivement exposs ci-dessous
(Lopez, 2008) :
- une capacit de contrler la puissance ractive et, de cette faon, de dcoupler la
commande des puissances active et ractive,
- la magntisation peut se faire partir du rotor sans prlever au rseau la puissance
ractive ncessaire,
- la possibilit dchanger de la puissance ractive avec le rseau pour raliser la
rgulation de la tension,
- la taille du convertisseur nest pas calcule seulement en fonction de la puissance
totale du gnrateur, mais aussi en fonction de la puissance de glissement et de la
gamme de vitesse choisie. Le cot du convertisseur augmente avec la gamme de
vitesse autour de la vitesse de synchronisme.
- son inconvnient rside dans la prsence obligatoire de bagues et balais.
I.3.2. Arognrateurs synchrones
Les machines synchrones sont gnralement utilises dans les cas des entranements
directs (sans multiplicateur de vitesse), mais aussi associes des multiplicateurs de vitesse.
Elles offrent des couples leves dimensions gomtriques convenables. Globalement, le
cot des machines synchrones est plus lev que celui des machines asynchrones avec
29
multiplicateur, mais couple et masse gaux, elles possdent un meilleur rendement, ce qui
devrait permettre terme un amortissement du surinvestissement.
Les machines synchrones peuvent tre rotor bobin ou aimants permanents. Les
machines rotor bobin exigent un entretien rgulier du systme bagues/balais, lments
responsables dune dfaillance prmature dont la frquence atteint 25% des gnratrices
tombes en panne. La Figure I-17 montre les topologies les plus courantes rencontres dans
les arognrateurs utilisant des machines synchrones (Hansen, et al., 2001).
Figure I-17 : Illustration des diffrentes configurations utilisant une machine synchrone.
La Figure I-17.A prsente un dispositif utilisant une machine synchrone aimants
permanents, cette configuration associe un dispositif de stockage est souvent utilise dans
le petit olien rsidentiel ou exploite sur des bateaux voile; la puissance produite par ce
genre de dispositif varie entre 1 kW et 20 kW. Les Figures I-17.A et B illustrent deux
configurations ncessitant une excitation externe par le biais dun redresseur, linconvnient
majeur de ce type de configuration rside dans le recours un circuit d'excitation, de bagues
et dune stratgie de commande plus complexe. La stratgie utilise dans Figure I-17.C
permet un fonctionnement vitesse variable, en rajoutant un convertisseur li au rseau et un
convertisseur de frquence quatre quadrants. La Figure I-17.D montre un dispositif sans
multiplicateur, la machine synchrone utilise est grand nombre de paires de ples
(Camblong, 2003).
(D)
GS Convertisseur
Rseau
Convertisseur
(C)
Multiplica-teur
GS
Convertisseur
Rseau
(A)
Convertisseur Rseau
(B)
Multiplica-teur
GS
Convertisseur
Convertisseur Rseau
30
I.3.2.1 Gnratrice synchrone rotor bobin
La connexion directe au rseau de puissance implique que la GS tourne vitesse
constante, cette dernire tant fixe par la frquence du rseau et par le nombre de paires de
ples de la machine. Lexcitation est fournie par un systme de bagues et balais. La mise en
uvre dun convertisseur dans un systme multipolaire sans engrenages, permet un
entranement direct vitesse variable. Toutefois, cette solution implique lutilisation dun
gnrateur surdimensionn et dun convertisseur de puissance dimensionn pour la puissance
totale du systme (Abdelli, 2007 ; Lopez, 2008).
I.3.2.2 Gnratrice synchrone aimants permanents (GSAP)
Depuis le 20me sicle, les aimants permanents ont commenc tre utiliss dune
manire industrielle. Les machines tournantes ont aussi bnfici de ce nouvel apport
technologique, surtout avec le dveloppement des aimants AlNiCo dans les annes 1950.
Depuis, les machines synchrones aimants permanents, avec diffrentes structures et sous
diffrentes configurations, ont pris de plus en plus la prdominance sur les autres machines
lectriques, dans certains domaines dapplications. Ce dveloppement sexplique par la
rduction des cots de llectronique de puissance associe et par lamlioration des
caractristiques des matriaux utilises. Il sajoute cela une augmentation rcente du prix du
cuivre, ce qui pnalise les machines stator et rotor bobin.
Dun point de vue fonctionnel, la caractristique dauto-excitation des machines
synchrones aimants permanents leur permet de fonctionner avec un facteur de puissance
lev et un bon rendement, ce qui les rend intressantes dans les applications du type des
systmes de conversion d'nergie olienne. Plusieurs travaux ont montr lavantage de la
GSAP sur la machine asynchrone pour certains niveaux de puissances et applications (Hadji-
Minaglou & Henneberger 1999 ; Lange, et al. 2000 ; Abdelkarim, 2008).
En effet, les machines asynchrones ncessitent une puissance ractive pour lexcitation
du rotor, ce qui induit des pertes statoriques. Un avantage important des rotors aimants
permanents est leur grande flexibilit dusinage. En effet, ils peuvent avoir diffrentes formes,
positions, tailles et orientations, donnant ainsi une grande varit dans les topologies possibles
des GSAP. Suivant leur topologies, les GSAP peuvent gnralement tre classes en quatre
catgories selon :
- lorientation de lentrefer par rapport laxe de rotation : radial (R) ou axial
(A);
31
- lorientation du noyau statorique par rapport la direction de rotation du rotor:
longitudinal (L) ou transversal (T);
- lorientation des aimants permanents par rapport lentrefer: monte en surface
(MS) ou avec concentration de flux (CF);
- la topologie des encoches: encoch (E) ou sans encoches (SE).
Dans la partie suivante du prsent chapitre, les GSAP flux radial, axial et transversal
seront prsentes dans lordre chronologique de leur utilisation et dveloppement. Laccent a
t mis sur les GSAP flux axial, utilises dans beaucoup dapplications oliennes de faible
puissance (Chalmers, Wu & Spooner 1999; Abdelkarim, 2008).
I.3.2.2.A GSAP flux radial
La GSAP flux radial est une machine dont les aimants permanents sont orients
radialement par rapport larbre de rotation de la machine, et o le flux dvelopp prend la
direction radiale (Figure I-18.A.B). Cette machine est rpandue dans lindustrie, elle permet
de dvelopper un meilleur couple sur une large plage de vitesse. De plus, grce sa topologie,
elle utilise moins de matriel magntique, ce qui, en consquence, rduit son cot (Aydin &
Lipo 2004). Cependant, avec la baisse relative des prix des terres rares, lavantage des GSAP
flux radial devient de moins en moins significatif par rapport aux autres machines aimants
permanents.
Figure I-18 : Illustrations dune GSAP flux radial, daprs (Kobayash, et al., 2009 ; Azzouzi 2007).
La GSAP flux radial a t largement tudie. Ainsi, on trouve dans la littrature des
travaux montrant lavantage de lutilisation des GSAP flux radial pour des applications
(A) (B)
32
oliennes de moyenne puissance (500 kW) (Lampola, 2000). Aussi, des comparaisons, par
simulation, entre diffrentes configurations de construction de machines flux radial, ont t
dveloppes. En effet, cinq diffrentes configurations sont gnralement tudies : aimants
permanents monts en surface, aimants permanents insrs, avec rotor extrieur, avec
aimants permanents en forme de V enterrs et aimants permanents magntiss
tangentiellement (Libert & Soulard, 2004 ; Azzouzi, 2007 ; Abdelkarim, 2008).
Les auteurs concluent que, si lon veut minimiser la masse des parties actives, les
machines aimants permanents enterrs et celle avec aimants en forme de V sont
inappropries pour l'utilisation d'un nombre de ples lev. Dans ce cas-l, la machine la plus
lgre est la machine aimants permanents magntiss tangentiellement. Dautres tudes ont
abord la problmatique du contrle du fonctionnement de cette machine en configuration
d'attaque directe, la machine tudie ayant une puissance de 20 kW, et tournant avec une
vitesse nominale de 110 tours/min (Wang, Bai, et al., 2005 ; Wang, Hou, et al. 2005).
I.3.2.2.B GSAP flux axial
Les GSAP flux axial, appeles aussi discodes, sont utilises pour rpondre un
cahier de charges dont lencombrement axial est fortement contraint. Elles sintgrent
parfaitement pour les applications oliennes. Ces machines permettent l'optimisation de
l'encombrement et de la masse, et permettent l'accroissement du couple, en disposant de
plusieurs tages sur le mme arbre (Azzouzi 2007). Il existe plusieurs configurations des
GSAP flux axial, suivant le nombre des rotors et des stators, et de leurs dispositions, leur
bobinage et la disposition des aimants permanents sur leurs rotors respectifs.
(A) (B) (C)
33
Figure I-19 : Illustrations dune GSAP flux axial. Daprs (Aydin & Lipo, 2004 ;Azzouzi, 2007 ; Kobayash, et al., 2009). La Figure I-19.B montre une GSAP flux axial possdant un stator et un rotor, cette
machine est aussi appele GSAP flux axial et entrefer simple. Elle est constitue de deux
parties adjacentes, ce qui simplifie son montage. Cette configuration de machine possde une
inertie rotorique peu leve, ce qui convient des applications de robotique. Linconvnient
de cette structure rside dans les forces dattraction et de rpulsion entre le stator et le rotor
(Azzouzi 2007). Pour rduire ces dsquilibres, des disques supplmentaires peuvent tre
rajouts (voir Figure I-19.C). En effet, la structure dite double entrefer, permet de rduire et
de stabiliser les forces dattraction dcrites prcdemment. Toutefois, il existe deux
configurations possibles, savoir: un disque statorique supportant les bobines, insr entre
deux disques rotoriques portant les aimants permanents, et un disque rotorique insr entre
deux disques statoriques (voir la Figure I-19.C). Ces deux configurations sont appeles,
respectivement, stator interne et externe. Pour des applications de grande puissance et de
stricte limitation des diamtres extrieurs des disques, lutilisation de la GSAP flux axial est
possible en juxtaposant plusieurs configurations double entrefer (la Figure I-19.D). Le seul
inconvnient que possde cette configuration est la complication de lassemblage. En effet,
cause de limbrication des anneaux statoriques et des disques rotoriques, le rotor ne peut pas
tre mont comme dans une machine cylindrique traditionnelle (Azzouzi 2007).
Les GSAP flux axial et radial sont de plus en plus utilises dans lindustrie, et elles
ont fait lobjet de plusieurs tudes comparatives. Le tableau suivant, extrait de (Azzouzi
2007), rsume les diffrents points de comparaison et les conclusions auxquelles ces travaux
ont abouti.
(D)
34
Source Performances
compares
Contraintes de
comparaison
Conclusions
(Zhang, et al., 1996) Couple volumique en fonction du nombre de
paires de ples
Densits liniques du courant
et les inductions dans lentrefer sont identiques.
Le couple volumique des MSAFPAs est toujours suprieur celui des MSAPFRs.
(Brown et al., 2002) Volume des parties actives
Masses identiques des aimants.
Les MSAPFAs deviennent
plus performantes partir de
2p=12 et (0.6D0.7).(Brown et al., 2002)
Volume des parties actives
Diamtres externes fixes. Les MSAPFAs
deviennent plus performantes quand
2p=2 ou 2p14.(Sitapati & Krishnan
2001) Puissance volumique et
Rapport des volumes VAF/VRF
0.25 kW 10 kW, 1000 tr/mn.
La puissance volumique des
MSAPFAs est suprieure, et VAF/VRF=0.2.
(Huang, et al., 2002) Couple volumique et Rendement 150 kW / 1200 tr/mn.
Les MSAPFAs offrent un couple volumique et
un rendement plus intressant.
(Qu, et al., 2003) Couple massique et Rendement
2.25 kW 37 kW 1800 tr/mn.
Les deux structures prsentent les mmes couples massiques et
rendements, MASPFA ncessite plus dAPs
(Akatsu & Wakui 2004)
Volume des parties utiles Bobinage concentr,
50 kW et 10 000 tr/mn
Le volume de la MSAPFR est 80% plus grand que celui de la
MSAPFA
(Cavagnino, et al. 2002)
Couple lectromagntique et
Couple massique en fonction
du coefficient de forme
Volume fixe 0.01 m3, 1000
tr/mn, mme induction dans le fer, induction
dans lentrefer, pertes/surface dchange: 2500 W/m2
MSAPFR intressantes quand >1 et np faible,
MSAPFA plus performante quand
35
Figure I-20 : Principe de fonctionnement dune GSAP flux transversal, daprs (Dubois 2004).
Il existe une littrature relativement riche sur les machines flux transversal. En effet,
plusieurs topologies sont tudies, notamment la configuration aimants monts en surface et
la machine concentration de flux avec un entrefer radial (Dubois, et al., 2002 ; Dubois,
2004). Mujaldi propose une topologie base sur une machine flux transversal avec un
entrefer axial et un bobinage statorique torodal, le prototype ralis pourrai tre utilis pour
une olienne de faible puissance (Muljadi, et al., 1999). Plus rcemment, Bang (Bang, et al.,
2008) effectue un passage en revue des diffrentes topologies des machines flux transversal
d'o il extrait plusieurs avantages de ces machines, parmi lesquels :
- un grand couple massique ;
- de faibles pertes dans le cuivre ;
- un bobinage simple.
Ces avantages sont contrebalancs par une complexit de fabrication, ce qui rend cette
machine moins attractive pour les industriels. Concernant les machines aimants permanents,
globalement, les industriels se basent sur des machines flux radial pour les installations
oliennes de grande puissance, et sur des machines flux axial pour les installations oliennes
de petites et moyennes puissances. Les machines flux transversal restent encore ltude
(Bang, et al., 2008).
I.3.3 Chanes de conversion d'nergie olienne avec GSAP
Ltude bibliographique prsente dans la section prcdente, nous permet de conclure
que lutilisation des machines synchrones aimants permanents est intressante pour les
applications oliennes. Ces gnratrices fonctionnent vitesse variable, gnralement
36
proportionnelle la vitesse du vent. Cependant, le courant lectrique dlivr par la machine,
proportionnel la vitesse de rotation et implicitement celle du vent, peut diffrer des
contraintes imposes par le rseau local, telles que : nature du courant (continu ou alternatif),
valeur de la frquence, limitation du courant, limitations du taux de distorsion harmoniques
(ThD). En consquence, lutilisation des convertisseurs statiques dans la chane de conversion
dnergie simpose.
Les convertisseurs statiques ont le rle de conditionner le flux dnergie vers le rseau
local et du/vers le systme de stockage, si besoin. En mme temps, ils augmentent la gamme
de vitesse pour laquelle une conversion optimale de l'nergie olienne en nergie lectrique
est possible. Lintroduction de ces lments augmente la pollution harmonique du rseau
local, qui peut tre diminue par lutilisation de dispositifs de filtrage.
Dans (Baroudi, et al., 2007), il est prsent un rsum concernant les diffrentes
topologies de convertisseurs statiques associs aux arognrateurs bass sur les gnratrices
synchrones aimants permanents.
Figure I-21 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et onduleur daprs (Baroudi, et al., 2007).
La Figure I-21 montre une chane de conversion lectromcanique de lnergie
olienne, en utilisant un redresseur diodes et un onduleur. Linconvnient majeur de cette
configuration rside dans le besoin dune compensation active pour rpondre la demande de
la puissance ractive du rseau et pour pallier aux distorsions harmoniques cres (Chen &
Spooner, 2003).
GSAP
Commande
Rseau
37
Dans le cas o le rseau est un bus continu, londuleur peut tre remplac par un
hacheur, lavantage principal tant le cot de cette chane de conversion (Figure I-22). En
effet, le cot dun dispositif lectronique augmente avec la complexit de ce dernier.
Figure I-22 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et hacheur daprs (Baroudi, et al., 2007).
Plusieurs stratgies de commande tudies dans la littrature, peuvent tre utilises
avec la configuration prsente dans la Figure I-22. Celle qui est dcrite dans (Tan & Islam,
2004), utilise la dtermination de la tension du bus continu en fonction de la puissance
maximale produite par la machine, obtenue par l'extrapolation de donnes pr-enregistres.
Cette technique de contrle utilise une mthode de poursuite du point de puissance maximum
(PPPM ou MPPT en anglais), avec un anmomtre donnant la vitesse du vent de rfrence
(Tan & Islam 2004). Des modles statistiques autorgressifs sont utiliss pour estimer la
vitesse du vent. Le systme de contrle enregistre la vitesse du vent dans une fentre
temporelle et lutilise pour prdire le comportement du vent dans la prochaine fentre
temporelle, fournissant ainsi la puissance optimale ou de rfrence dlivre par
l'arognrateur. Ces mthodes arrivent exploiter entre 55% et 61% de lnergie olienne
disponible (Baroudi, et al., 2007).
Figure I-23 : Chane de conversion olienne avec redresseur diodes et hacheur et onduleur daprs (Baroudi, et al., 2007).
GSAP
Commande
Rseau
Rseau
Commande
GSAP
Commande
38
La Figure I-23 montre une variante de la configuration prsente dans la Figure I-22.
En effet, ici un convertisseur DC/DC (hacheur) en amont de londuleur, est ajout au
dispositif et offrant les avantages suivants :
- la commande de la tension continue, ct gnrateur, est faite en adaptant le
rapport cyclique du hacheur,
- la possibilit de stabiliser la tension continue du ct onduleur,
- elle fait effet de filtre pour certains harmoniques en augmentant ainsi la qualit
du signal,
- londuleur contrle seulement la tension du ct alternatif, ce qui simplifie sa
commande.
La commande de la puissance au niveau de londuleur se fait par le contrle de
l'amplitude de la frquence fondamentale du courant et du dphasage entre le courant et la
tension (Chen & Spooner 2001).
Pour chaque vitesse de rotation, des valeurs optimales de tension du bus continu peuvent tre
identifies, correspondant la puissance maximale produite par lolienne (Chen & Spooner,
1998, 2001).
Il est noter que les deux configurations cites prcdemment peuvent tre utilises
pour des applications en sites isols ou connectes au rseau. Le rapport cyclique du hacheur
peut tre dtermin pour chaque point de fonctionnement optimal, en utilisant une loi de
commande de la tension et un rgulateur. La tension continue ct onduleur est maintenue
constante, car elle est suppose impose par le rseau. Cela donne une flexibilit au niveau du
transfert de la puissance active et ractive vers le rseau (Ning & Hui, 2006). Cependant, cela
reprsente un dsavantage dans le cas o le rseau local n'est pas connect au rseau de
distribution gnral.
Une batterie peut tre rajoute la configuration prsente dans la Figure I-23. En plus
du rle de stockage de lnergie quand la demande du rseau local diminue, la batterie permet
galement de fixer le niveau de la tension du bus continu (Higuchi, et al., 2000 ; Drug, et al.,
2011).
De ce fait, la commande du hacheur pour obtenir le maximum de puissance est simplifie. La
commande se fait en exploitant une relation entre la puissance produite et le rapport cyclique
du hacheur. A partir dune valeur initiale choisie, le rapport cyclique est adapt
continuellement, et avec de petites variations, dans une plage spcifique de fonctionnement de
l'arognrateur, et dans le but dextraire le maximum de puissance. On observe que le
systme perd de son efficacit pour des grandes vitesses du vent, quand les variations des
39
points de fonctionnement du systme physique (larognrateur) deviennent trop rapides
pour que le systme reste command (Higuchi, et al., 2000). Une frquence dchantillonnage
plus grande du hacheur pourrait rsoudre ce problme.
Figure I-24 : Chane de conversion olienne avec deux convertisseurs de puissance 6 thyristors daprs (Baroudi, et al., 2007).
La Figure I-24 prsente une configuration qui utilise deux convertisseurs de puissance
six interrupteurs chacun, un redresseur command et un onduleur. La commande du
redresseur est assure par un rgulateur PI en appliquant un contrle vectoriel de la machine.
Une mthode MPPT est utilise pour dterminer la vitesse de rotation optimale, correspondant
chaque vitesse de vent. La tension du bus continu est aussi rgule par un contrleur PI via
londuleur (Schiemenz & Stiebler 2001).
Figure I-25 : Chane de conversion olienne avec deux convertisseurs de puissance 4 thyristors daprs (Baroudi, et al., 2007).
Dans la Figure I-25, on peut observer une configuration alternative celles prsentes
prcdemment (Figures I-23 et I-24). Elle est compose de deux convertisseurs quatre
interrupteurs chacun et deux condensateurs de ligne. Encore une fois, une mthode MPPT est
employe, elle calcule la puissance produite en mesurant le courant et la tension de ligne, et
Rseau
Commande
GSAP
Commande
GSAP Rseau
commande commande
40
agit sur lamplitude du courant pour obtenir le fonctionnement optimal (Raju, et al., 2003).
Bien quelle rduise le nombre des interrupteurs par rapport la dernire configuration, cette
configuration ncessite cependant deux mesures pour appliquer la mthode de commande, ce
qui augmente la complexit de la commande et, implicitement, le cot du systme.
41
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