UNIVERSITE DE CORSE PASQUALE PAOLI

UNIVERSITE TECHNIQUE DE SOFIA

ECOLE DOCTORALE ENVIRONNEMENT ET SOCIETE UMR CNRS 6134 SPE

Facult des Sciences et Techniques

ECOLE DOCTORALE FRANCOPHONE SPECIALITE 5.2. ELECTROTECHNIQUE,

ELECTRONIQUE ET AUTOMATIQUE Facult Francophone de Gnie Electrique

Thse prpare en cotutelle et

soutenue pour lobtention du grade de

DOCTEUR EN ENERGETIQUE Mention : Energtique

et

DOCTEUR DE LUNIVERSITE TECHNIQUE DE SOFIA Mention : Electrotechnique, Electronique et Automatique

Soutenue publiquement par

Ludmil Stoyanov

le 28 octobre 2011

Etude de diffrentes structures de systmes hybrides sources dnergie renouvelables

Directeurs : M. Lazarov Vladimir, professeur, Universit Technique de Sofia M. Notton Gilles, Dr-HDR, Universit de Corse Rapporteurs : M. Franois Bruno, professeur, Ecole Centrale de Lille M. Mihailov Nikolay, professeur, Universit Angel Kanchev de Rousse Jury : M. Franois Bruno, professeur, Ecole Centrale de Lille M. Heraud Nicolas, Dr-HDR, Universit de Corse M. Lazarov Vladimir, professeur, Universit Technique de Sofia M. Mihailov Nikolay, professeur, Universit Angel Kanchev de Rousse M. Notton Gilles, Dr-HDR, Universit de Corse M. Yatchev Ivan, professeur, Universit Technique de Sofia

II

Table de matires

Prface....................................................................................................................................................1 Chapitre 1 Etat de lart ........................................................................................................................5

1.1. Systmes hybrides.......................................................................................................................6 1.1.1. Dfinition .............................................................................................................................6 1.1.2. Classification........................................................................................................................6

1.1.2.1. Le rgime du fonctionnement .......................................................................................6 1.1.2.2. La structure du systme hybride ...................................................................................6

1.1.3. Etudes des systmes hybrides ..............................................................................................6 1.1.3.1. Critres doptimisation et logiciel de dimensionnement ..............................................7

1.1.3.1.1. Critres doptimisation du systme hybride ..........................................................7 1.1.3.1.2. Logiciels pour ltude des systmes hybrides........................................................7

1.1.3.2. Etudes des structures de systmes hybrides..................................................................8 1.1.3.2.1. Systmes hybrides avec source dnergie conventionnelle ...................................8

1.1.3.2.1.1. Systmes photovoltaque/source conventionnelle ..........................................8 1.1.3.2.1.2. Systmes olien/source conventionnelle.......................................................11 1.1.3.2.1.3. Systmes photovoltaque/olien/diesel .........................................................12

1.1.3.2.2. Systmes hybrides sans source conventionnelle..................................................12 1.1.3.2.2.1. Systmes hybrides photovoltaque/stockage.................................................12 1.1.3.2.2.2. Systme hybride olien/stockage..................................................................13 1.1.3.2.2.3. Systme hybride photovoltaque/olien/stockage.........................................14 1.1.3.2.2.4. Systmes hybrides photovoltaque/olien sans stockage..............................14

1.1.4. Modlisation des lments du systme ..............................................................................15 1.1.4.1. Modles de linstallation photovoltaque....................................................................15 1.1.4.2. Modles des oliennes ................................................................................................15 1.1.4.3. Modlisation dun convertisseur lectronique ............................................................16

1.2. Objectifs de la thse ..................................................................................................................16 Chapitre 2 Modlisation des lments du systme hybride pour ltude nergtique ......................18

2.1. Introduction...............................................................................................................................19 2.2. Potentiel nergtique.................................................................................................................19

2.2.1. Description des donnes mtorologiques disponibles......................................................19 2.2.2. Traitement des donnes mtorologiques disponibles.......................................................20

2.2.2.1. Conversion de lirradiation solaire horizontale en irradiation solaire sur des plans inclins .....................................................................................................................................21 2.2.2.2. Correction de la vitesse de vent avec laltitude ..........................................................23 2.2.2.3. Distribution de Weibull de la vitesse du vent .............................................................24 2.2.2.4. tude de la complmentarit des ressources oliennes et solaires .............................27

2.3. Modlisation des sous systmes gnrateurs ............................................................................37 2.3.1. Le systme photovoltaque ................................................................................................37

2.3.1.1. Le champ photovoltaque............................................................................................37 2.3.1.1.1. Diffrents modles de comportement ..................................................................37 2.3.1.1.2. Vrification exprimentale et comparaison des modles.....................................41 2.3.1.1.3. Utilisation du modle de Durisch pour ltude du rendement photovoltaque ....42

2.3.1.1.3.1. Influence de la temprature ambiante et lirradiation ...................................42 2.3.1.1.3.2. Influence de linclinaison des modules.........................................................46

2.3.1.2. Modlisation des onduleurs ........................................................................................48 2.3.1.2.1. Courbe de charge des onduleurs ..........................................................................48 2.3.1.2.2. Inventaire des onduleurs ......................................................................................49

2.3.2. Le gnrateur olien...........................................................................................................51 2.3.2.1. Modles de courbe de puissance.................................................................................51

2.3.2.1.1. Modle linaire ....................................................................................................51 2.3.2.1.2. Modle de Pallabazzer (Pallabazzer et Gabow, 1992; Pallabazzer, 1995). .........51 2.3.2.1.3. Modle de Chang .................................................................................................51

III

2.3.2.2. Interpolation des courbes constructeurs......................................................................52 2.3.2.3. Inventaire des petites et moyennes oliennes .............................................................54 2.3.2.4. Inventaire de grandes oliennes ..................................................................................54

2.3.4. Systme hydrolectrique....................................................................................................56 2.3.4.1. Turbine hydraulique....................................................................................................56 2.3.4.2. Gnrateur lectrique ..................................................................................................56 2.3.4.3. Modlisation dun systme hydrolectrique rversible ..............................................58

2.4. Optimisation des composantes du systme hybride..................................................................59 2.4.1. Optimisation de londuleur du systme photovoltaque ....................................................59

2.4.1.1. Influence du type de londuleur et de linclinaison des modules PV .........................60 2.4.1.2. Influence de la technologie photovoltaque utilise....................................................61 2.4.1.3. Influence du site dinstallation....................................................................................63 2.4.1.4. Variation mensuelle du rendement du systme photovoltaque .................................65

2.4.2. Choix de lolienne ............................................................................................................66 2.4.2.1. Choix dune olienne de faible puissance...................................................................66 2.4.2.2. Choix dune olienne de grande puissance .................................................................71

2.5. Conclusions...............................................................................................................................71 Chapitre 3 Etude de diffrentes structures de systmes hybrides .....................................................73

3.1. Introduction...............................................................................................................................74 3.2. tude dun systme hybride deux sources renouvelables et un stockage idal ....................74

3.2.1. Structure du systme ..........................................................................................................74 3.2.1.1. Le Systme photovoltaque.........................................................................................74 3.2.1.2. Le gnrateur olien....................................................................................................75 3.2.1.3. Le dispositif de stockage.............................................................................................76 3.2.1.4. Charge satisfaire par le systme hybride..................................................................76

3.2.2. Mthode et hypothses.......................................................................................................77 3.2.3. Rsultats de lapplication de la mthode ...........................................................................79

3.2.3.1. Fonctionnement en rgime autonome.........................................................................79 3.2.3.2. Fonctionnement en parallle du rseau lectrique ......................................................86

3.2.4. Conclusions de ltude.......................................................................................................94 3.3. tude dun systme hybride deux sources renouvelables et un stockage rel en parallle avec le rseau lectrique...........................................................................................................................94

3.3.1. Prsentation de la problmatique de lintgration des EnR ...............................................95 3.3.1.1. Pourquoi une limitation du taux dintgration ? .........................................................95 3.3.1.2. Problmatique spcifique des les ...............................................................................96 3.3.1.3. Vision globale des moyens de stockage......................................................................97 3.3.1.4 Stockage dnergie par pompage ...............................................................................102

3.3.2. Structure du systme ........................................................................................................103 3.3.2.1. Systme photovoltaque ............................................................................................104 3.3.2.2. Gnrateur olien ......................................................................................................104 3.3.2.3. La STEP dans le systme tudi ...............................................................................104 3.3.2.4. La Charge lectrique .................................................................................................105

3.3.3. Mthodologie et hypothses ............................................................................................106 3.3.4. Rsultats de lapplication de la mthode .........................................................................108 3.3.5. Conclusions de ltude.....................................................................................................112

3.4. Conclusion du chapitre ...........................................................................................................112 Chapitre 4 Etude des lments des systmes hybrides en processus transitoires ...........................113

4.1. Introduction.............................................................................................................................114 4.2. Modlisation des lments des chanes de conversion machine asynchrone.......................115

4.2.1. Modle du machine asynchrone.......................................................................................115 4.2.1.1. Modle lectromagntique de machine asynchrone dans un systme abc................115 4.2.1.2. Modle lectromagntique dune machine asynchrone dans un rfrentiel tournant vitesse arbitraire .....................................................................................................................116 4.2.1.3. Modles lectromagntiques dune machine asynchrone dans diffrents rfrentiels................................................................................................................................................118

IV

4.2.1.3.1. Modle lectromagntique dune machine asynchrone dans un rfrentiel li au stator (, ) .........................................................................................................................119 4.2.1.3.2. Modle lectromagntique dune machine asynchrone dans un rfrentiel tournant avec le rotor (d, q)................................................................................................119 4.2.1.3.3. Modle lectromagntique dune machine asynchrone dans un rfrentiel tournant avec le champ du stator .......................................................................................119

4.2.1.4. Equation du mouvement ...........................................................................................120 4.2.1.5. Modlisation de la machine asynchrone dans un environnement Matlab/Simulink

................................................................................................................................................120 4.2.1.5.1. Les flux comme variable dtat..........................................................................121 4.2.1.5.2. Les courants comme variables dtat .................................................................122 4.2.1.5.3. Equation du mouvement ....................................................................................122 4.2.1.5.4. Transformation entre les systmes dq et abc .....................................................122

4.2.1.6. Identification des paramtres de la machine asynchrone..........................................122 4.2.1.6.1. Mesure directe des rsistances des enroulements ..............................................123 4.2.1.6.2. Essai de court circuit ..........................................................................................123 4.2.1.6.3. Essai de marche vide .......................................................................................123

4.2.2. Modle de convertisseur lectronique .............................................................................124 4.2.3. Modle de la turbine olienne..........................................................................................125

4.2.3.1. Modle du vent .........................................................................................................125 4.2.3.2. Modle de la turbine .................................................................................................125

4.2.4. Modle dun condensateur ...............................................................................................125 4.3. tude de diffrentes configurations de machines asynchrones...............................................126

4.3.1. Gnrateur asynchrone rotor cage ..............................................................................126 4.3.1.1. Simulation du fonctionnement dune machine asynchrone rotor cage ...............127

4.3.1.1.1. Caractristique mcanique .................................................................................127 4.3.1.1.2. Changement du rgime de fonctionnement .......................................................128 4.3.1.1.3. Changement brusque du couple dentre ...........................................................129 4.3.1.1.4. Changement de cadence du couple dentre ......................................................130 4.3.1.1.5. Simulation de vent .............................................................................................130 4.3.1.1.6. Variation du glissement .....................................................................................131

4.3.1.2. Comparaison des rsultats simuls et exprimentaux...............................................131 4.3.2. Gnrateur asynchrone rotor bobin .............................................................................132

4.3.2.1. Gnrateur asynchrone rotor bobin avec rsistances additionnelles dans le rotor132 4.3.2.1.1. Simulations avec le modle du gnrateur asynchrone avec rsistances additionnelles dans le rotor ................................................................................................133

4.3.2.1.1.1. Changement brusque du couple dentre ....................................................134 4.3.2.1.1.2. Simulation avec des variations de la vitesse du vent ..................................135 4.3.2.1.1.3. Variation du glissement ..............................................................................136

4.3.2.1.2. Comparaison des rsultats simuls et exprimentaux........................................136 4.3.2.2. Machine asynchrone double alimentation..............................................................137

4.3.2.2.1. Structure et processus physiques .......................................................................137 4.3.2.2.1.1. Fonctionnement vitesse sous-synchrone et synchrone.............................138 4.3.2.2.1.2. Fonctionnement vitesse sur-synchrone ....................................................138 4.3.2.2.1.4. Influence de la puissance ractive...............................................................139

4.3.2.2.2. Modlisation et contrle des lments de la configuration................................140 4.3.2.2.3. Simulations avec le modle de machine asynchrone double alimentation .....142

4.3.2.2.3.1. Changement brusque de la puissance active du stator ................................142 4.3.2.2.3.2. Variation brusque de la puissance ractive du stator ..................................144 4.3.2.2.3.3. Simulation du systme soumis des variations de vent .............................145

4.3.2.2.4. Modle exprimental de MADA .......................................................................146 4.4. Conclusions du chapitre ..........................................................................................................161

Conclusion gnrale...........................................................................................................................162 Bibliographie......................................................................................................................................165 Annexe ...............................................................................................................................................179

V

Curriculum vitae ................................................................................................................................181 Liste des publications de lauteur lies avec la thse.........................................................................183 Rsum...............................................................................................................................................184

VI

Remerciements Je remercie tout dabord le Recteur de lUniversit Technique de Sofia (Bulgarie) Monsieur

Kamen VESSELINOV et le Prsident de lUniversit de Corse Monsieur Antoine AIELLO pour avoir accept que cette thse puisse tre ralise en cotutelle entre les deux universits. Mes remerciements vont galement aux directeurs des coles Doctorales des deux universits Messieurs Vladimir LAZAROV et Jean COSTA pour mavoir accueilli en tant que Doctorant.

Je tiens exprimer ma profonde reconnaissance mes encadrants Monsieur Vladimir LAZAROV et Monsieur Gilles NOTTON pour leur aide, leur support et leurs conseils qui mont permis la ralisation de ce travail de thse. De plus, laccueil chaleureux de Monsieur NOTTON dans le pays tranger ma permis de sentir la Corse comme ma deuxime maison.

Je suis sensible lhonneur que me font Monsieur Bruno FRANOIS (Ecole Centrale de Lille) et Monsieur Nicolay MIHAYLOV (Universit de Rousse) en acceptant dtre les rapporteurs de ce travail.

Que Monsieur Ivan YATCHEV (Universit Technique de Sofia) et Monsieur Nicolas Heraud

(Universit de Corse) qui ont accept de participer cette Commission dExamen trouvent ici lexpression de mes sincres remerciements pour lintrt quils ont bien voulu porter ce travail.

Je remercie lAgence Universitaire de la Francophonie de mavoir attribu une bourse

(directement ou par lintermdiaire du Ple dexcellence) qui ma permis de raliser cette thse en cotutelle.

Mes remerciements vont Monsieur Zahari ZARKOV dont laide sur la dernire ligne

droite ma permis la finalisation de la thse. Je remercie aussi tous mes collgues lUniversit Technique de Sofia et lUniversit de Corse (indpendamment de lge) pour leur aide scientifique et laccueil dans les units de recherche.

Je tiens galement remercier le personnel administratif Sofia, Vignola et Corte pour le

bon droulement de toutes mes affaires administratives en tant que thsard. Je suis reconnaissant Mademoiselle Marie Rose SANTINI, Monsieur Joseph CASANOVA,

Madame Cathy LUGREZI et Monsieur Jean Claude ROMANO pour laccueil chaleureux en Corse. Un grand merci mes grands amis Kai, Sylvain et Rachel pour leur support en Corse qui me

rend reconnaissant pour la vie. Mon grand merci va aussi Fabrice, Maya, Jacques, Mlanie, JB, la famille SUTOUR, Anne-Marie, Mathieu, Josphine, Emilie, les deux Pierrick (sans K pour Monsieur HUBERT), Motaz, Guillaume, Auline, Xavier, les stagiaires Bulgares Plamena et Stoyan, Imad, Owen et encore et encore qui mont fait le plaisir de les connatre, de faire des ftes avec eux et bien sur de jouer la ptanque. Je ne veux pas oublier mes amis en Bulgarie, surtout Ivaylo et Svetlio, dont je remercie pour les bons moments dans les bars et les stades.

Enfin, je ne saurais terminer sans remercier lensemble de ma famille ainsi que ma copine

pour leur patience, leurs encouragements, et leur soutien de tous les instants. Je profite de loccasion qui mest ainsi donne de leur dire Je vous aime .

VII

Liste des figures Figure 1. Dveloppement des puissances installes doliennes et photovoltaques pour la priode 1996-2009 ..............................................................................................................................................1 Figure 2. Distribution des puissances installes en 2008.......................................................................2 Figure 3 Parts des diffrentes SER (2009).............................................................................................2 Figure 4. Comparaison des valeurs actuelles (2005) et objectifs (2020) devant UE.............................3 Figure 5. Variation des investissements sur la priode 2004-2009 .......................................................3 Figure 1.1. Classification des systmes hybrides...................................................................................7 Figure 1.2. Classification des tudes......................................................................................................8 Figure 1.3. Systme hybride avec connexion srie................................................................................9 Figure 1.4. Systme hybride commutation .......................................................................................10 Figure 1.5. Systme hybride connexion parallle .............................................................................10 Figure 1.6. Schma quivalent une diode dun module photovoltaque..............................................15 Figure 2.1. Position gographique des stations choisies......................................................................20 Figure 2.2. Radiation solaire globale reue par une surface horizontale .............................................21 Figure 2.3. Radiation solaire globale sur un plan inclin ....................................................................22 Figure 2.4. Illustration de la mthodologie de conversion de lirradiation solaire globale horizontale en irradiation solaire globale sur un plan inclin .................................................................................23 Figure 2.5. Influence de la vitesse du vent et du paramtre kweibull sur la forme de la distribution......25 Figure 2.6. Influence des paramtres de Weibull sur les vitesses du vent caractristiques .................25 Figure 2.7. Distribution des vitesses du vent pour les stations en Bulgarie.........................................26 Figure 2.8. Distribution des vitesses du vent pour les stations en Corse .............................................26 Figure 2.9. Variation annuelle des nergies solaire et olienne...........................................................32 Figure 2.10. Estimation de la complmentarit pour les diffrents mois ............................................36 Figure 2.11. Banc d'essai Ajaccio .....................................................................................................37 Figure 2.12. Rsultats exprimentaux pour le rendement de module BP 585F...................................38 Figure 2.13. Variation du rendement selon les modles (2.22) et (2.24).............................................39 Figure 2.14. Comparaison des modles avec des donnes exprimentales pour un jour de soleil et un dalternance..........................................................................................................................................41 Figure 2.15. Variation du rendement des modules en fonction de lclairement solaire et de la temprature ..........................................................................................................................................42 Figure 2.16. Influence des conditions mtorologiques sur les rendements pour Ajaccio et Sofia ....45 Figure 2.17. Valeurs moyennes mensuelles pour mont Botev.............................................................46 Figure 2.18. Variation du rendement pour diffrentes inclinaisons.....................................................47 Figure 2.19. Courbes de charge des onduleurs commerciaux .............................................................49 Figure 2.20. Courbes types des onduleurs ...........................................................................................50 Figure 2.21.Courbes de puissance selon les trois modles ..................................................................52 Figure 2.22. Comparaison de donnes initiales et interpoles.............................................................53 Figure 2.23. Diversit de courbes de puissance pour petites et moyennes oliennes ..........................54 Figure 2.24. 8 courbes types de la puissance de petites oliennes.......................................................55 Figure 2.25. Courbes de puissance pour grandes oliennes.................................................................56 Figure 2.26. Variation du rendement pour diffrentes turbines hydrauliques .....................................57 Figure 2.27. Zones dapplication des diffrentes turbines ...................................................................57 Figure 2.28. Rendement de gnrateur asynchrone en fonction de la puissance rduite.....................58 Figure 2.29. Puissance dentre en fonction de la puissance de sortie pour les deux rgimes ............58 Figure 2.30. Variation du rendement annuel et des pertes pour mSi pour Ajaccio et Sofia pour 4 inclinaisons des modules......................................................................................................................61 Figure 2.31. Variation du rendement annuel et des pertes pour Ajaccio et Sofia et 4 technologies de modules PV..........................................................................................................................................62 Figure 2.32. Valeurs du rendement et Rs pour les diffrentes stations et technologies .......................64 Figure 2.33. Variation mensuelle du rendement pour diffrentes technologies et onduleurs..............66

VIII

Figure 2.34. Variation de la production lors le changement de kweibull et V .........................................69 Figure 2.35. Productivit calcule des gnrateurs oliens types ........................................................70 Figure 2.36. Productivit calcule des toutes les petites oliennes......................................................70 Figure 2.37. Productivit de toutes les grandes oliennes ...................................................................71 Figure 3.1. Schma du systme hybride tudi....................................................................................74 Figure 3.2. Courbe de puissance modlise auprs Pallabazzer ..........................................................75 Figure 3.3. Variation annuelle de la charge .........................................................................................76 Figure 3.4. Courbe de charge moyenne pour les mois de lanne .......................................................77 Figure 3.5. Illustration de lalgorithme de calculs ...............................................................................78 Figure 3.6. Variation de la diffrence annuelle pour Botev et Varna ..................................................80 Figure 3.7. Variation du nombre davaries annuelles pour Botev et Varna ........................................81 Figure 3.8. Variation de la dure annuelle des avaries pour Botev et Varna.......................................82 Figure 3.9. Variation de lnergie non satisfaite pour Botev et Varna ................................................83 Figure 3.10. Rsultats selon le critre 1 pour Botev et Varna .............................................................87 Figure 3.11. Rsultats selon le critre 2 pour Botev et Varna .............................................................88 Figure 3.12. Rsultats selon le critre 3 pour Botev et Varna .............................................................89 Figure 3.13. Rsultats selon le critre 4 pour Botev et Varna .............................................................90 Figure 3.14. Comparaison des rsultats pour les deux rgimes de fonctionnement (1 rgime autonome ; 2 en parallle avec le rseau) (modules en mSi) ............................................................92 Figure 3.15. Comparaison des rsultats pour les deux rgimes de fonctionnement (critre 2 - modules PV mSi)................................................................................................................................................92 Figure 3.16. Classement selon lutilisation..........................................................................................99 Figure 3.17. Classification du stockage selon sa puissance et sa capacit ........................................100 Figure 3.18. Dure de vie et rendement de divers moyens de stockage selon ESA (2009) ..............100 Figure 3.19. Cot dinvestissement ...................................................................................................101 Figure 3.20. Classification des stockages selon le prix de cycle .......................................................101 Figure 3.21. Rapport des puissances installes lchelle mondiale ................................................102 Figure 3.22. Turbine rversible Francis .............................................................................................103 Figure 3.23. Ralisation de STEP par installation souterraine ..........................................................103 Figure 3.24. Structure du systme hybride ........................................................................................104 Figure 3.25. Courbe de puissance de lolienne choisie ....................................................................105 Figure 3.26. Variation annuelle de la consommation lectrique de la Corse ....................................105 Figure 3.27. Courbes de charges moyennes pour chaque mois pour la Corse...................................106 Figure 3.28. Positionnement des moyens de production et rpartition des puissances et des nergies pour la Corse (2008) ..........................................................................................................................107 Figure 3.29. Participation des diffrentes sources dans la couverture de la charge pour un jour dhiver et dt................................................................................................................................................107 Figure 3.30. Stratgie de gestion du systme.....................................................................................109 Figure 3.31. Variation du niveau du basin, du nombre de pompes et de turbines mises en marche et leur puissance totale ...........................................................................................................................109 Figure 3.32. Participation des diffrentes sources dans la satisfaction de la charge .........................110 Figure 3.33. Rpartition de lnergie des sources renouvelables.......................................................110 Figure 4.1. Structure dun systme hybride trois sources dnergie ...............................................114 Figure 4.2. Schma de la machine asynchrone avec enroulements triphass ....................................115 Figure 4.3. Schma de la machine biphase quivalente...................................................................117 Figure 4.4. Schma lectrique dun convertisseur lectronique en rgime redresseur ......................124 Figure 4.5. Nud dun condensateur branch ...................................................................................126 Figure 4.6. Modle ralis dans lenvironnement Matlab/Simulink dune MAS rotor cage .......127 Figure 4.7. Banc dessai avec MAT 20..............................................................................................128 Figure 4.8. Caractristique mcanique simule pour 20..........................................................128 Figure 4.9. Variation de la vitesse lors de la simulation....................................................................128 Figure 4.10. Variation des puissances active et ractive ...................................................................129 Figure 4.11. Changement du couple ..................................................................................................129

IX

Figure 4.12. Variation de la vitesse de rotation avec un zoom sur le processus transitoire ..............129 Figure 4.13. Variation des puissances active et ractive ...................................................................130 Figure 4.14. Courants dans le stator...................................................................................................130 Figure 4.15. Variation du couple dentre .........................................................................................130 Figure 4.16. Variation des puissances active et ractive ...................................................................130 Figure 4.17. Variation des courants du stator ....................................................................................130 Figure 4.18. Variation des puissances dentre et de sortie en fonction de la variation du vent .......131 Figure 4.19. Variation du glissement lors dun changement brusque du couple dentre.................131 Figure 4.20. Variation du glissement pour une puissance mcanique assimilable celle produite par le vent.................................................................................................................................................131 Figure 4.21. Comparaison des puissances pour MAT 20 ..................................................................132 Figure 4.22. Comparaison des courants pour MAT 20......................................................................132 Figure 4.23. Schma de principe de MAS rotor bobin avec rsistances additionnelles................132 Figure 4.24. Modle ralis dans lenvironnement Matlab/Simulink dune MAS rotor bobin avec rsistances additionnelles...................................................................................................................133 Figure 4.25. Variation du couple .......................................................................................................134 Figure 4.26. Puissances mcanique dentre, lectrique de sortie et pertes dans les rsistances ...134 Figure 4.27. Zoom sur le processus transitoire ..................................................................................135 Figure 4.28. Puissance mcanique, puissance du stator et pertes dans le rotor lorsque soumis aux variations du vent ...............................................................................................................................135 Figure 4.29. Variation du glissement pendant un changement brusque du couple dentre .............136 Figure 4.30. Variation du glissement pendant une variation de vent.................................................136 Figure 4.31. Validation de la puissance fournie par le stator pour MAT 20 .....................................136 Figure 4.32. Validation des pertes dans le rotor pour MAT 20 .........................................................136 Figure 4.33. Validation des courants du stator pour MAT 20 ...........................................................137 Figure 4.34. Validation des couples pour MAT 20 ...........................................................................137 Figure 4.35. Structure de la MADA...................................................................................................138 Figure 4.36. Flux nergtiques pour une vitesse de rotation du rotor sous-synchrone et synchrone 138 Figure 4.37. Flux nergtiques pour vitesse de rotation du rotor sur-synchrone (cas 1) ...................139 Figure 4.38. Flux nergtiques pour vitesse de rotation du rotor sur-synchrone (cas 2) ...................139 Figure 4.39. Structure de la commande du CTR du ct rotor ..........................................................141 Figure 4.40. Schma bloc du systme de contrle du CTR de ct rseau .......................................142 Figure 4.41. Modle de MADA ralis dans Matlab/Simulink .........................................................142 Figure 4.42. Variation de la vitesse de rotation pendant la simulation..............................................143 Figure 4.43. Puissances dans le stator pendant une variation tage de la puissance active .............144 Figure 4.44. Puissances dans le rotor pendant une variation tage de la puissance active du stator............................................................................................................................................................144 Figure 4.45. Variation de la puissance totale de la MADA...............................................................144 Figure 4.46. Puissances du stator pendant une variation tag de la puissance ractive ...................145 Figure 4.47. Puissances du rotor pendant une variation tag de la puissance ractive dans le stator............................................................................................................................................................145 Figure 4.48. Variation des puissances pendant simulation du vent ...................................................145 Figure 4.49. Schma de principe du modle exprimental de la MADA..........................................146 Figure 4.50. Modle exprimental de la MADA ...............................................................................147 Figure 4.51. Vue extrieure de la plaque DS1104 .............................................................................147 Figure 4.52. Structure de la plaque DS1104 ......................................................................................147 Figure 4.53. Panel dinterface CLP1104............................................................................................149 Figure 4.54. Structure du systme dSPACE ......................................................................................149 Figure 4.55. Bibliothque RTLIB pour Simulink..............................................................................150 Figure 4.56. Modle utilis par dSPACE...........................................................................................151 Figure 4.57. "Pupitre" de contrle du banc dans ControlDesk ..........................................................152 Figure 4.58. Bloc denregistrement de donnes dans ControlDesk...................................................153 Figure 4.59. Puissances de stator pendant une variation de la rfrence de la puissance active (bleu clair et rouge valeurs de rfrence de la puissance active et ractive; bleu fonc et vert puissances relles)................................................................................................................................................154

X

Figure 4.60. Variation de la vitesse pendant le changement de la rfrence de la puissance active .154 Figure 4.61. Courant (vert) et tension (bleu) du stator ......................................................................154 Figure 4.62. Oscillogramme du courant (bleu) et de la tension (rose) du stator................................155 Figure 4.63. Oscillogramme du courant du rotor (jaune) et du courant (bleu) et de la tension (rose) du stator...................................................................................................................................................155 Figure 4.64. Courant du rotor ............................................................................................................155 Figure 4.65. Puissances du stator (bleu clair et rouge valeurs de rfrence de la puissance active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles ; jaune-vert et rose puissance calcules) ..........156 Figure 4.66. Comparaison du courant du stator exprimental (bleu) et simul (vert) .......................156 Figure 4.67. Rfrences et valeurs relles des puissances du stator pour Q=-150 Vr (bleu clair et rouge valeurs de rfrence pour les puissances active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles)................................................................................................................................................157 Figure 4.68. Vitesse de rotation du rotor pour Q=-150 VAr .............................................................157 Figure 4.69. Oscillogramme du courant et de la tension du stator pour Q=-150 VAr.......................158 Figure 4.70. Puissance du stator pendant injection et consommation dnergie par le rotor (bleu clair et rouge valeurs de rfrence des puissances active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles)................................................................................................................................................158 Figure 4.71. Courant et tension du stator lors linjection de puissance active par le rotor dans le rseau .................................................................................................................................................159 Figure 4.72. Puissances du stator pour une injection de puissance ractive (bleu clair et rouge valeurs de rfrence des puissances active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles) ......159 Figure 4.73. Comparaison des rfrences des puissances du stator, des valeurs relles et calcules pour une injection de puissance ractive dans le rseau (bleu clair et rouge valeurs de rfrence de la puissance active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles ; jaune-vert et rose puissance calcules) ...........................................................................................................................160 Figure 4.74. Vitesse de rotation pour une injection de puissance ractive dans le rseau.................160 Figure 4.75. Puissances du stator pour une consommation de puissance reactive (bleu clair et rouge rfrences des puissances active et ractive ; bleu fonc et vert puissances relles)......................161

XI

Liste des tableaux Tableau 1. Puissances installes de diffrentes SER (2009)..................................................................2 Tableau 2.1. Liste des stations utilises ...............................................................................................20 Tableau 2.2. Valeurs du coefficient de correction ...............................................................................23 Tableau 2.3. Valeurs des coefficients dans le modle de Durisch.......................................................39 Tableau 2.4. Ecarts des modles dans la comparaison avec les donnes exprimentales ...................41 Tableau 2.5. Paramtres des onduleurs types ......................................................................................50 Tableau 2.6. Paramtres optimaux des trois onduleurs........................................................................60 Tableau 2.7. Valeurs choisies de Rs aprs la simplification.................................................................65 Tableau 3.1. Variation de lhauteur du moyeu avec la puissance de la machine.................................75 Tableau 3.2. Configurations optimales pour toutes les stations et technologies selon le critre 1 ......84 Tableau 3.3. Rsultats synthtiques par application du critre 2 .........................................................85 Tableau 3.4. Rsultats de lapplication du critre 3.............................................................................86 Tableau 3.5. Rsultat pour Varna de lapplication du critre 4 ...........................................................86 Tableau 3.6. Synthse des rsultats pour le systme connect au rseau lectrique selon le critre 1 91 Tableau 3.7. Rsultats pour le systme connect rseau selon le critre 2 ..........................................93 Tableau 3.8. Rsultats selon le critre 3 ..............................................................................................94 Tableau 3.9. Rsultats selon le critre 4 (diffrents de ceux du critre 3) ...........................................95 Tableau 3.10. Catgories dapplication des moyens de production.....................................................98 Tableau 3.11. Dfinitions and catgories dapplications .....................................................................98 Tableau 3.12. Technologies considres pour chaque application ......................................................99 Tableau 3.13. Synthse des grandeurs nergtiques annuelles pour diffrentes configurations du systme hybride .................................................................................................................................111 Tableau 3.14. Grandeurs nergtiques annuelles pour le systme sans stockage..............................112 Tableau 4.1. Donnes pour une petite machine asynchrone..............................................................127 Tableau 4.2. Performances de la plaque ............................................................................................148

XII

Liste des symbols A [m2] Surface du module photovoltaque Ar [m

2] Surface des ples Aw [m/s] Paramtre dchelle AM Masse relative dair

3

2j

ea = Oprateur de Fortescue a1 Coefficient empirique du modle de Chang a2 Coefficient empirique du modle de Chang a3 Coefficient empirique du modle de Chang a4- Coefficient empirique du modle de Chang aSi Silicium amorphe C [F] Capacit du condensateur C1 Constante dans le modle photovoltaque de Borowy C2 Constante dans le modle photovoltaque de Borowy CAN Convertisseur analogique-numrique CC Coefficient de corrlation CE Condensateur lectrolyte CIS CuInSe2 (cuivre indium slnium) modules photovoltaques couche mince CNA Convertisseur numrique-analogique CTR Convertisseur de tension rversible c i0 Coefficient dans lquation dinterpolation c i1 Coefficient dans lquation dinterpolation c i2 Coefficient dans lquation dinterpolation c i3 Coefficient dans lquation dinterpolation c1-c6 Coefficients empiriques spcifiques pour chaque turbine cp Coefficient de puissance Dan [Wh] Diffrence absolue annuelle entre lnergie produite et consomme Echarge [Wh] Energie de la charge Efault [Wh] Energie totale non satisfaite EfromSTOCK [Wh] Energie fournir par le stockage Eload,i [Wh] nergie exige par le consommateur sur une priode donne Eloss,annual [Wh] Energie perdue par limitation de la puissance de sortie de londuleur EPV(i) [Wh] Energie horaire produite par le systme photovoltaque EPV,annual [Wh] Energie en courant continu produite par les modules photovoltaques Eprod,i [Wh] nergie produite sur une priode donne Eout,annual [Wh] Energie produite annuellement en courant alternatif par le systme champ photovoltaque-onduleur ESTOCK [Wh] Energie stocke ESTOCK,max [Wh] Valeur maximale de lnergie stocke EtoSTOCK [Wh] Excs dnergie stocke pendant une heure EWT(i) [Wh] Energie horaire produite par lolienne Ewind [Wh/m

2] Energie olienne par unit de surface

solarE [Wh/m2] Energie solaire annuelle par unit de surface

windE [Wh/m2] Energie olienne annuelle par unit de surface

EMA Erreur moyenne absolue EMR Erreur moyenne relative EnR Energie renouvelable EQMA Erreur quadratique moyenne absolue EQMR Erreur quadratique moyenne relative

XIII

F(V) Fonction daccumulation de la distribution f Fraction diffuse de lirradiation globale fi Valeur de la fonction f au point xi

if& Drive de la fonction f au point xi

f(V) Densit de probabilit G [W/m2] Irradiation solaire globale sur un plan horizontal Gb [W/m

2] Irradiation solaire horizontale directe Gb, [W/m

2] Irradiation solaire directe sur un plan inclin dun angle Gd [W/m

2] Irradiation solaire horizontale diffuses Gd, [W/m

2] Irradiation solaire diffuse du ciel sur un plan inclin dun angle Gr, [W/m

2] Irradiation solaire rflchie par le sol sur un plan inclin dun angle G [W/m

2] Irradiation solaire globale sur un plan inclin dun angle G,ref [W/m

2] Irradiation solaire dans les conditions standards HOMER Hybrid Optimization Model for Electric Renewables h [m] Hauteur du mt hR Coefficient de Ross I0 [A] Courant dans lenroulement du stator en rotor libre I0r [A] Composante ractive du courant daimantation Ik [A] Courant dans les enroulements du stator pour un rotor bloqu Imp [A] Courant du photovoltaque puissance maximale Imp,ref [A] Courant puissance maximale du module dans les conditions de rfrence Isc,ref [A] Courant de court-circuit du module dans les conditions de rfrence i Priode, pas ditration, intervalle i0 [A] Courant avant le nud du condensateur i01 [A] Courant aprs le nud du condensateur iA, iB et iC [A] Courants du stator ia, ib et ic [A] Courants dans les phases du rotor ic [A] Courant dans le condensateur idinv [A] Courant alternatif du convertisseur sur laxe d idinv

* [A] Courant alternatif de rfrence aprs le convertisseur sur laxe d i*dr [A] Courant rotorique de rfrence sur laxe d

iqinv [A] Courant alternatif du convertisseur sur laxe q iqinv

* [A] Courant alternatif de rfrence aprs le convertisseur sur laxe q i*qr [A] Courant rotorique de rfrence sur laxe q

ir [A] Phaseur spatial du courant dans lenroulement du rotor iru [A] Vecteur du courant rotorique sur laxe u irv [A] Vecteur du courant rotorique sur laxe v iS [A] Phaseur spatial du courant dans lenroulement du stator iSu [A] Vecteur du courant statorique sur laxe u iSv [A] Vecteur du courant statorique sur laxe v J [kgm2] Couple dinertie du rotor k Coefficient dans le modle donduleur kI Rapport de transformation des courants dans les enroulements du stator et du rotor kweibull Paramtre morphologique Lfiltre [H] Inductance du filtre Lm [H] Inductance mutuelle Lr [H] Inductance de lenroulement du rotor Ls [H] Inductance de lenroulement du stator

XIV

Lr [H] Inductance de fuite de lenroulement du rotor

Lr [H] Inductance de fuite ramene de lenroulement rotorique

Ls [H] Inductance de fuite de lenroulement du stator LOLP Probabilit de perte de la charge (lost of load probability) MT Indice de clart pour lheure Msr [H] Inductance mutuelle entre le stator et le rotor MADA Machine Asynchrone Double Alimentation MAS Machine ASynchrone MCC Moteur courant continu ME Erreur moyenne absolue MPPT Maximum Power Point Tracking Suivi du point de puissance maximale MSE Erreur moyenne quadratique absolue m Nombre des priodes mDur Coefficient empirique dans le modle de Durisch mSi Silicium monocristallin N Nombre des points NOCT Normal Operating Cell Temperature Temprature de cellule normale de fonctionnement P0 [W] Puissance mesure sur le stator en marche vide Pin [W] Puissance de londuleur en courant continu en entre Pinv,rated [W] Puissance nominale de londuleur PJr [W] Pertes dans lenroulement rotorique PJs [W] Pertes dans lenroulement statorique Pk [W] Puissance mesure dans le stator pour rotor bloqu Ploss [W] Pertes lectriques de londuleur Pm [W] Puissance mcanique dentre Pmec [W] Puissance mcanique sur larbre de la turbine olienne Pmp [W] Puissance maximale du module photovoltaque Pmp,ref [W] Puissance maximale du module dans les conditions de rfrence PPV [kW] Puissance crte photovoltaques PPV,peak [W] Puissance crte installe du champ photovoltaque Pout [W] Puissance de sortie de londuleur en courant alternatif Pr [W] Puissance consomme par le rotor Prated [W] Puissance nominale de lolienne Ps [W] Puissance fournie par le stator P*s [W] Puissance active statorique de rfrence

Ptot [W] Puissance totale fournie du systme MADA PWT [kW] Puissance nominale installe olienne Pwind [W] Puissance du vent PHE Centrale Hydraulique PV Photovoltaque pDur Coefficient empirique dans le modle de Durisch p Puissance rduite pp Nombre de paires de ples p0 Composante des pertes de londuleur indpendante de la charge pat [Pa] Pression atmosphrique ploss Pertes lectriques rduites de londuleur pSi Silicium polycristallin Qs [VAr] Puissance ractive du stator Q

*s [VAr] Puissance ractive du stator de rfrence

q Coefficient empirique dans le modle de Durisch

XV

q(x) Interpolant R Rapport nergtique Radd [] Rsistance supplmentaire Rloss Rapport des pertes de londuleur Rs Rapport de la puissance crte installe du champ photovoltaque et la puissance nominale de londuleur Rs,opt Rapport optimal de Rs RAPSIM Remote Area Power Supply Simulator RME Erreur moyenne relative RMSE Erreur moyenne quadratique relative r Coefficient empirique dans le modle de Durisch r1 [] Rsistance dans une phase de lenroulement du stator r2 [] Rsistance dans une phase de lenroulement du rotor

'2r [] Rsistance active ramene de lenroulement du rotor rfiltre [] Rsistance active du filtre SACOI SArdinia-COrsica-Italy 50 MW cble courant continu SARCO SArdinia-CORsica 80 MW cble courant alternatif SER Sources dnergie Renouvelables SH Systme Hybride SHSER Systme Hybride Sources dnergie Renouvelables STEP Systme de Transfert dnergie par Pompage sDur Coefficient empirique dans le modle de Durisch s Glissement a [C] Temprature ambiante Tcell [C] Temprature de cellule du module Tcell,ref [C] Temprature de cellule dans les conditions standards T [Nm] Couple lectromagntique de la machine Tfault [h] Dure des avaries au cours de lanne Tm [Nm] Couple mcanique U0 [V] Tension dalimentation du stator en marche vide Uk [V] Tension dalimentation du stator pour un rotor bloqu u Coefficient empirique dans le modle de Durisch uA, uB et uC [V] Tensions sur les trois phases du stator ua, ub uc [V] Tensions sur les trois phases du rotor udinv, uqinv [V] Tensions alternatives du convertisseur sur les deux axes udinv

* et uqinv* [V] Valeurs de rfrence des tensions fournies aux rseau sur les axes d et q

udr et uqr [V] Tensions des enroulements rotoriques sur les axes d et q u*dr, u

*qr [V] Valeurs de rfrences des tensions dans les phases d et q dans lenroulement du rotor

ur [V] Phaseur spatial de la tension du rotor uru [V] Vecteur de la tension rotorique sur laxe u urv [V] Vecteur de la tension rotorique sur laxe v uS [V] Phaseur spatial de la tension du stator uSu [V] Vecteur de la tension statorique sur laxe u uSv [V] Vecteur de la tension statorique sur laxe v V [m/s] Vitesse du vent V [m/s] Vitesse moyenne de vent V0 [V] Tension continue V10 [m/s] Vitesse du vent hauteur 10 m Vh [m/s] Vitesse du vent hauteur h

XVI

Voc,ref [V] Tension de circuit ouvert du module dans les conditions de rfrence Vcut-in [m/s] Vitesse de vent denclenchement de lolienne Vcut-off [m/s] Vitesse de vent de dclenchement de lolienne Vdc [V] de la tension continue V0 Vmax,E [m/s] Vitesse du vent produisant une nergie maximale Vmed [m/s] Vitesse mdiane Vmpr [m/s] Vitesse la plus probable du vent Vmp [V] Tension du photovoltaque puissance maximale Vmp,ref [V] Tension puissance maximale du module dans les conditions de rfrence Vrated [m/s] Vitesse de vent puissance maximale de lolienne Vs1n, Vs2n et Vs3n [V] Tensions alternatives du convertisseur de tension rversible WT olienne x Argument qui se trouve entre deux points connus xi et xi+1 x Valeur moyenne de x xexp Valeur exprimentale

expx Valeur moyenne des donnes exprimentales

xi x xm [] Rsistance inductive dinduction mutuelle xT Coefficient empirique spcifique pour chaque turbine

x1 [] Rsistance inductive de fuite de lenroulement statorique

x2 [] Rsistance inductive de fuite de lenroulement rotorique

y Valeur moyenne de y yi i

me valeur de la variable y ymod Valeur modlise J Coefficient de correction de la vitesse de vent Coefficient de temprature pour la correction de puissance 0 [mA/C] Coefficient de variation du courant par rapport la temprature du module u [rad] Dphasage du systme de coordonnes arbitrairement tournant par rapport au stator x [rad] Dphasage du rotor par rapport au stator

[C-1] Coefficient de sensibilit la temprature 0 [mV/C] Coefficient de variation de la tension du module par rapport la temprature

(x) Fonction Gamma Coefficient de sensibilit lirradiation solaire 0 [%/C] Coefficient de temprature pour la puissance du module i tats des branches du convertisseur lectronique I [A] Variation du courant T [C] Variation de la temprature t Priode de temps

10 Rendement de londuleur 10 % de charge 100 Rendement de londuleur 100 % de charge inv Rendement de londuleur

pv Rendement du module photovoltaque ref Rendement du module dans les conditions standards

XVII

[rad] Angle dincidence z [rad] Angle znithal [] Angle de rotation de la ple sur son axe longitudinale

Coefficient de rflexion albdo

[kg/m3] Densit de lair inv Efficacit nergtique de londuleur

cart type

0 [] Dphasage entre le courant et la tension en marche vide k [] Dphasage entre le courant et la tension lors le court circuit

A, B, C [Wb] Flux du stator a, b, c [Wb] Flux du rotor r [Wb] Phaseur spatial du flux rotorique S [Wb] Phaseur spatial du flux statorique

r [rad/s] Vitesse angulaire du rotor u [rad/s] Vitesse angulaire du rfrentiel de la machine triphase

1

Prface Les sources dnergie renouvelables (SER) font lobjet dun regain dintrt ces dernires

annes (Figure 1) (REN21, 2010). La cause principale de cet essor se cache derrire les pronostiques dpuisement des ressources nergtiques conventionnelles de la Plante : fuel, gaz naturel, charbon et mme uranium. Au contraire, les SER peuvent tre considres comme inpuisables lchelle humaine, puisquelles utilisent des flux nergtiques naturels issus du Soleil ou de la biomasse (Dimitrov, 1999). Une autre raison du dveloppement des sources dnergie renouvelables est la distribution non uniforme des ressources conventionnelles dnergie sur la Plante, couple une consommation non uniforme elle aussi. De cette faon, une partie considrable de lhumanit na pas accs llectricit (environ 22% ou 1,5 milliards de personnes (Niez, 2010)), ce qui limite son dveloppement. Les besoins lectriques de ces personnes peuvent tre satisfaits grce une gnration distribue assure par des systmes Energie Renouvelable (EnR). Une dernire raison non ngligeable est la lutte contre les missions polluantes qui sont la cause de nombreux phnomnes nfastes comme leffet de serre, le trou d'ozone stratosphrique, le rchauffement global etc. Ces gaz nocifs sont mis par diverses activits humaines, parmi lesquelles la production d'lectricit partir de sources d'nergie conventionnelles. Ainsi, la rduction de l'lectricit produite partir de sources classiques en augmentant la part des SER diminuera les missions et leurs consquences. Laugmentation de la participation des nergies renouvelables pour rpondre aux besoins des consommateurs est rgie par le Protocole de Kyoto, qui impose des exigences relles pour les pays signataires (Gslason, 2008). Malgr l'opposition de nombreux pays, ce document fournit la base pour le dveloppement futur des sources d'nergie renouvelables.

0

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Anne

Pu

issa

nce

, GW

ConnectsIsolsTotal

Figure 1. Dveloppement des puissances installes doliennes et photovoltaques pour la priode 1996-2009

Globalement, en 2009 il y avait 1230 GW installs dnergies renouvelables produisant de l'lectricit, ce qui reprsente 18% de la capacit dans le monde. Cela comprend toutes les sources dnergies renouvelables y compris les centrales hydrolectriques de grande puissance. La participation des diffrentes sources dans la production d'lectricit est prsente dans la Figure 2 (REN21, 2010). La SER la plus rpandue est lhydrolectricit. Leur capacit totale installe atteint 980 GW. La participation des autres sources est plus faible. Leurs valeurs respectives sont rsumes dans le Tableau 1. La part des diffrentes sources dnergie renouvelables est illustre sur la Figure 3.

2

Nuclaire13%

PHE15%

Autre SER3%

Fossils69%

Figure 2. Distribution des puissances installes en 2008

Tableau 1. Puissances installes de diffrentes SER (2009) oliennes 159 GW

Petits PHE (

3

0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 50.0%

SudeSlovnie

SlovaquieRoumanie

R. TchquePortugalPologne

Pays-BasMalta

LuxembouLituanieLettonie

ItalieIrlande

HongrieGrce

FranceFinlandeEstonie

EspagneDanemark

ChypreBulgarieBelgiqueAutriche

Allemagne

20052020

Figure 4. Comparaison des valeurs actuelles (2005) et objectifs (2020) devant UE

La mise en uvre de ces objectifs exige une augmentation des investissements pour la construction de nouvelles installations de production dnergie partir de sources renouvelables. On observe une forte croissance des investissements lchelle mondiale (REN21, 2010) sur la Figure 5.

0

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Anne

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ent,

$

Figure 5. Variation des investissements sur la priode 2004-2009

Malgr le dveloppement mondial, les sources d'nergie renouvelables ne constituent pas une solution universelle aux problmes dapprovisionnement en lectricit. Cela est d plusieurs inconvnients. Le principal est l'absence de puissance garantie en provenance des gnrateurs, convertissant le potentiel nergtique primaire en lectricit due au caractre stochastique des variations de la source primaire solaire (modules photovoltaques) et olienne. Dans le premier cas, les variations sont causes par le cycle jour-nuit, par des nuages traversant le ciel ou d'autres

4

obstacles entre le soleil et les installations photovoltaques. Pour les oliennes, les variations de puissance sont dues la variabilit de la vitesse du vent, aux rafales et autres. De cette manire, la puissance du vent, convertie par la turbine olienne en puissance mcanique, possde un caractre variable, car elle est proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Cet inconvnient est beaucoup moins prononce dans les centrales hydrolectriques, grce la prsence de barrages qui retiennent l'eau et de cette faon prdterminent la prsence d'une certaine quantit d'eau. De plus, lexprience technologique acquise sur les turbines hydrauliques facilite l'application de cette source d'nergie renouvelable. Un autre problme srieux face l'augmentation de la capacit installe de SER est linvestissement initial ncessaire. Il est lev cause du prix important des matriels utiliss. Cela s'applique plus fortement sur les modules photovoltaques, dont le prix atteint jusqu' 5 par Wc install. En plus de son prix lev, les systmes photovoltaques se caractrisent par une faible efficacit (moins de 15% en termes rels), ce qui limite encore leur distribution.

Cependant, il est certain que nous aurons recours de plus en plus aux nergies renouvelables pour les raisons dj cites prcdemment (rarfaction des ressources fossiles et problme de rchauffement climatique) et malgr les discussions souvent pres entre les pour et les contre . La thmatique dveloppe dans cette thse s'inscrit dans le cadre du programme DUNK 01/3 et offre des perspectives importantes dans l'volution de la politique nergtique

5

Chapitre 1 Etat de lart

6

1.1. Systmes hybrides

1.1.1. Dfinition Le problme avec la puissance variable et non garantie produite par les sources dnergie

renouvelables, peut tre rsolu par un couplage des sources d'approvisionnement et la formation dun systme dit hybride (SH). Un systme hybride sources d'nergie renouvelables (SHSER) est un systme lectrique, comprenant plus d'une source dnergie, parmi lesquelles une au moins est

renouvelable (Lazarov et al, 2005). Le systme hybride peut comprendre un dispositif de stockage. Dun point de vue plus global, le systme nergtique d'un pays donn peut tre considr comme un systme hybride.

1.1.2. Classification Plusieurs classifications de systmes hybrides sont ralises selon le critre choisi. Dans la

suite sont prsentes les classifications les plus rpandues.

1.1.2.1. Le rgime du fonctionnement Les systmes hybrides peuvent tre diviss en deux groupes. Dans le premier groupe, on

trouve les systmes hybrides, travaillant en parallle avec le rseau lectrique, appels aussi connects rseau. Ces systmes contribuent satisfaire la charge du systme lectrique du pays. Les systmes hybrides du deuxime groupe fonctionnent en rgime isol ou en mode autonome. Ils doivent rpondre aux besoins des consommateurs situs dans des sites loigns du rseau lectrique : refuges de montagne, les, villages isols, panneaux de signalisation routire etc.

1.1.2.2. La structure du systme hybride Trois critres peuvent tre pris en compte dans le classement en fonction de la structure du

systme. Le premier critre est la prsence ou non d'une source d'nergie classique. Cette source conventionnelle peut tre un gnrateur diesel, une micro turbine gaz, et dans le cas dune tude du rseau lectrique complet une centrale tout entire.

Un second critre possible est la prsence ou non dun dispositif de stockage. La prsence dun stockage permet dassurer une meilleure satisfaction des charges lectriques pendant les priodes d'absence d'une ressource primaire convertir en lectricit. Les dispositifs de stockage peuvent tre des batteries rechargeables, des lectrolyseurs avec rservoirs d'hydrogne, des volants dinertie, etc

La dernire classification possible est celle relative au type de sources d'nergie renouvelables utilises. La structure du systme peut contenir un systme photovoltaque, une olienne, un convertisseur d'nergie hydraulique (centrales hydrolectrique ou utilisation des vagues) ou une combinaison de ces sources. Un critre important pour la slection de la source utilise est le potentiel nergtique disponible qui dpend de l'endroit d'installation du systme hybride. Un autre facteur dterminant est le consommateur lectrique aliment. Son importance dtermine le besoin dune source supplmentaire, dun dispositif de stockage et/ou dune source conventionnelle etc.

Une gnralisation de la classification prsente est illustre sur la Figure 1.1.

1.1.3. Etudes des systmes hybrides Au vue de ces nombreux critres, il est ais dimaginer la diversit des tudes sur les

systmes hybrides disponibles. Une synthse non exhaustive des tudes ralises sur ces systmes est prsente dans ce paragraphe.

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Classification des systme hybrides

Rgime de fonctionnement Contenu du systme

Isols En parallleavec le rseau

Avec ou sanssource

conventionnelle

Avec ou sansstockage

Avec PV, WT,PHE etc.

Figure 1.1. Classification des systmes hybrides

1.1.3.1. Critres doptimisation et logiciel de dimensionnement

1.1.3.1.1. Critres doptimisation du systme hybride

Diffrents critres sont utiliss pour optimiser le systme en fonction du site dinstallation. Les critres les plus frquemment utiliss sont :

La probabilit de perte de la charge (lost of load probability) ou la probabilit de perte dapprovisionnement (loss of power supply probability) ces deux critres sont univoques et rendent compte du rapport nergie non satisfaite et nergie totale consomme sur la priode dtude choisie. En gnral, le calcul de ce paramtre est ralis en utilisant lquation (1.1).

( )

=

=

=m

i

i,load

m

i

i,prodi,load

E

EE

LOLP

1

1 (1.1)

o Eload,i est lnergie demande par le consommateur pour la priode i, Eprod,i est lnergie produite, et m est le nombre de priodes pour lesquelles la recherche est ralise.

Le cot dnergie produite Diverses approches sont utilises pour le calcul du cot : il dpend de lnergie demande par le consommateur, du cot dinvestissement initial pour lachat des composants du systme, du cot de leur installation, du cot de maintenance et de remplacement (pour les lments qui ont une vie dexploitation plus courte que celle de llment qui dfinit la vie dexploitation du systme hybride) etc.

1.1.3.1.2. Logiciels pour ltude des systmes hybrides

Il existe plusieurs logiciels de dimensionnement parmi lesquels les plus connus sont : Hybrid2 ce logiciel est destin ltude de diffrents systmes hybrides avec divers

lments. Il dispose doutils pour effectuer une analyse conomique. La prsentation des rsultats peut tre ralise de deux manires des rsultats synthtiss ou des rsultats dtaills avec variation dans le temps ;

HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) avec ce logiciel, il est possible de modliser des systmes hybrides qui travaillent en parallle avec le rseau lectrique ou en rgime autonome. Il dispose de modles de gnrateurs conventionnels et sources dnergie renouvelables. De plus, le logiciel contient des algorithmes doptimisation laide desquels il est possible de choisir le meilleur systme hybride ;

RAPSIM (Remote Area Power Supply Simulator) cest un logiciel de simulation pour diffrents modes dun approvisionnement en courant alternatif. Il peut tre utilis

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pour le dimensionnement dinstallations photovoltaques, de gnrateurs oliens et diesel dans des systmes hybrides isols.

De plus, il faut signaler que lutilisation de ces logiciels a des inconvnients puisquils limitent les modifications de lutilisateur et empchent une analyse approfondie des systmes hybrides cause du code protg.

La classification des tudes gnrales est systmatise sur la Figure 1.2.

Classification des tudes gnrales

Critres de dimensionnement

Hybrid2 HOMER RAPSIM

Logiciel utilis

Probabilit de perte de la

charge

Cot dnergieproduite

Figure 1.2. Classification des tudes

1.1.3.2. Etudes des structures de systmes hybrides

1.1.3.2.1. Systmes hybrides avec source dnergie conventionnelle

1.1.3.2.1.1. Systmes photovoltaque/source conventionnelle

Ce type de systme hybride est utilis le plus souvent dans des sites qui se caractrisent par un climat chaud comme par exemple lArabie saoudite (Shaahid et Elhadidy, 2003; Shaahid et Elhadidy, 2004), le Maroc (Muoz et al, 2004), les Maldives (van Sark et al, 2006), la Corse (Muselli et al, 2000) etc., o le potentiel solaire est important.

Lobjectif de ces systmes lorsquils travaillent en mode autonome, est dalimenter sans interruption une maison (Muselli et al, 2000), un btiment de logements (Shaahid et Elhadidy, 2003) ou administratif (Shaahid et Elhadidy, 2004; Ajan et al, 2003) ou un village (Rana et al, 1998; Oldach et al, 2004; Suponthana et al, 2006; Klinghammer et Nrenberg, 2006). Dautres systmes alimentent des centres de recherche (Tina et al, 2005) ou sont galement connects au rseau lectrique (Ashari et al, 2001; van Sark et al, 2006).

Les systmes autonomes contiennent souvent des batteries (Ashari et Nayar, 1999; Muoz et al, 2004; Oldach et al, 2004) mais aussi dautres dispositifs de stockage. Les batteries et le champ photovoltaque produisent du courant continu. Par contre, les moteurs diesel peuvent entraner des gnrateurs continus ou alternatifs. Le plus souvent les consommateurs demandent du courant alternatif ; on distingue alors diffrentes structures de systmes selon le type de la machine lectrique couple avec le moteur diesel. Ces structures ont t dcrites et classifies selon le type de flux nergtiques par Wickert et al (1999). Chaque configuration, ses avantages et inconvnients sont prsents maintenant.

La premire configuration est la connexion srie. Dans ce cas, le gnrateur diesel est connect sur le bus courant continu. La connexion peut tre directe (dans le cas dun gnrateur de courant continu) ou travers un redresseur. Linstallation photovoltaque et la batterie sont aussi lies ce bus. Le consommateur est aliment par un onduleur. Le schma de principe dun systme hybride avec une telle configuration est prsent sur la Figure 1.3.

Dans cette configuration, le gnrateur diesel peut alimenter la charge travers les convertisseurs lectroniques ou charger la batterie. Daprs la stratgie de gestion du systme hybride, lnergie produite par linstallation photovoltaque peut directement alimenter la charge ou passer par la batterie. Les avantages de cette structure de systme sont :

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Champ PV Contrleurcharge

Batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC

Champ PV Contrleurcharge

Batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC

Champ PV Contrleurcharge

Batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC

Figure 1.3. Systme hybride avec connexion srie

Un dimensionnement facile du gnrateur diesel ; Un schma lectrique simplifi cause dune absence de commutation des sources

dnergie en courant alternatif ; La mise en marche du gnrateur diesel nest pas lie avec une interruption de

lalimentation lectrique ; Grce londuleur, le consommateur peut tre aliment avec une tension, dont la

forme du signal, la valeur et la frquence sont convenables. Les inconvnients sont :

Londuleur ne peut pas travailler en parallle avec le gnrateur diesel. Cest pourquoi il doit tre dimensionn de manire ce quil puisse couvrir la charge maximale possible ;

La batterie doit avoir une grande capacit ; Un rendement relativement faible dans le cas dun gnrateur diesel courant

alternatif, parce que la puissance fournie est convertie deux fois avant darriver au consommateur ;

Une avarie ventuelle de londuleur provoque une coupure totale de lalimentation lectrique.

Des systmes de ce type ont t tudis par diffrents auteurs (Tina et al, 2005, Muselli et al, 2000; Ashari et Nayar, 1999).

La deuxime configuration possible est commutation. Elle est souvent utilise malgr quelques dsavantages. Le consommateur peut tre aliment soit par la source conventionnelle, soit par linstallation photovoltaque et la batterie via londuleur. Lalimentation par les deux simultanment nest pas possible. Le gnrateur diesel peut charger la batterie par lintermdiaire dun redresseur. La gestion du systme doit tre automatique cause de la complexit du systme hybride. Le schma du systme est prsent sur la Figure 1.4.

Les avantages de cette configuration sont : Le systme possde un rendement plus haut, parce que le gnrateur diesel peut

alimenter directement la charge, do une baisse de la consommation de fuel ; Londuleur peut assurer au consommateur la tension demande en forme et valeur ; Une avarie de londuleur nengendrera pas larrt complet de lalimentation lectrique,

parce que la charge peut tre satisfaite par le gnrateur diesel. Les inconvnients sont :

Lapparition dune coupure instantane de lalimentation lors de la commutation des sources ;

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Le gnrateur et londuleur doivent tre dimensionns pour la consommation maximale du systme. De cette faon, ils fonctionnent avec un moindre rendement lors les priodes de faible charge ;

Une construction complexe.

Champ PV Contrleurcharge

batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC Bus CA

Commutateur de changement

Champ PV Contrleurcharge

batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC Bus CA

Commutateur de changement

Champ PV Contrleurcharge

batterie

Chargeurde batterie

Onduleur

Gnrateurdiesel

Charge

Bus CC Bus CA

Commutateur de changement

Figure 1.4. Systme hybride commutation

Un tel systme fut tudi par Muoz et al (2004). La dernire configuration dun systme hybride photovoltaque/source conventionnelle est

connexion parallle. Ici le gnrateur diesel est interconnect sur le bus de courant alternatif. Linstallation photovoltaque et la batterie sont lies sur un autre bus de courant continu. Les deux bus sont connects laide dun convertisseur lectronique bidirectionnel. Il peut travailler soit comme redresseur, lorsque le gnrateur diesel couvre la consommation lectrique et participe dans le chargement de la batterie, soit comme onduleur, quand la charge (ou une part delle) est satisfaite par les panneaux photovoltaques et/ou la batterie. De cette faon, la charge peut tre alimente par les deux bus simultanment. Le schma dun tel systme hybride est reprsent sur la Figure 1.5.

Champ PV

Contrleur charge Gnrateur

diesel

ChargeBus CC Bus CA

Onduleurbi-directionnel

Batterie

Figure 1.5. Systme hybride connexion parallle

Les avantages de cette configuration sont : Les composants du systme ne doivent pas tre dimensionnes pour la charge totale,

parce que le consommateur peut tre aliment par les deux sources en mme temps ; Un meilleur rendement, parce que les sources fonctionnent avec une puissance plus

proche de leur puissance nominale. De plus il ny a pas une conversion de lnergie produite par le gnrateur diesel ;

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Diminution du nombre des convertisseurs lectroniques, ce qui diminue le cblage ncessaire et linvestissement initial pour la construction du systme hybride ;

Une avarie du convertisseur lectronique ne provoque pas de coupure de lalimentation de la charge.

Les inconvnients de la configuration sont : Le contrle automatique est obligatoire pour le fonctionnement correct du systme ; Le convertisseur lectronique doit fournir une tension sinusodale, pour que la

synchronisation avec le gnrateur diesel soit possible ; Le personnel, qui soccupe du fonctionnement correct du systme, doit tre qualifi ; Les batteries vieillissent rapidement (pas de chargeur) ; Le bus continu est plus dificile controler.

Des systmes hybrides avec une telle structure ont t tudis par Ashari et Nayar (1999), Wichert et al (2001), Ajan et al (2003), Shaahid et Elhadidy (2003), Oldach et al (2004) et Klinghammer et Nrenberg (2006).

Les publications, consacres aux systmes hybrides photovoltaques/source conventionnelle prsentent des rsultats issus de systmes existants et installs (Klinghammer et Nrenberg, 2006; Tina et al, 2005; Muoz et al, 2004), dautres examinent la possibilit dimplantation de panneaux photovoltaques comme source dnergie supplmentaire dans des installations existantes avec une source conventionnelle (Ajan et al, 2003; Rana et al, 1998; Oldach et al, 2004; Klinghammer et Nrenberg, 2006). Des auteurs ont ralis des tudes thoriques sur lanalyse des processus qui prennent place au sein du systme (Shaahid et Elhadidy, 2003; Wichert et al, 2001), sur loptimisation du dimensionnement du systme hybride (Suponthana et al, 2006; Muselli et al, 2000) ou sur celle de la stratgie de gestion de lnergie (Ashari et al, 2001). Certains travaux ont fait appel des logiciels commerciaux comme HOMER (van Sark et al, 2006), Hybrid2 (Ashari et Nayar, 1999), LabView (Wichert et al, 2001) et VEE Pro 7.0 (Suponthana et al, 2006).

La plupart des publications sur ces systmes suppose que la source conventionnelle dnergie est un gnrateur diesel. Rana et al (1998) tudia des systmes dans lesquels une turbine gaz, normalement fonctionnant au gaz naturel, utilisait du mthane produit partir de biomasse.

1.1.3.2.1.2. Systmes olien/source conventionnelle

Les recherches sur les systmes hybrides olien/diesel se distinguent des tudes sur les systmes hybrides photovoltaques car les oliennes sont capables de produire du courant alternatif identique celui produit par le gnrateur diesel. De cette faon il ny a pas une grande diversit des configurations du systme hybride.

Ces systmes sont plus rpandus sur les les, o les brises de mer et le vent favorisent lutilisation de lnergie olienne pour la production dlectricit. Des tudes ont t ralises sur des systmes installs sur des les de diverses tailles petites comme les les Canari (Carta et al, 2003), en passant par des les moyennes comme la Corse (Notton et al, 2001), jusquau grandes les comme lAngleterre (Bowen et al, 2001).

Certaines publications concernent des systmes hybrides existants et prsentent des rsultats de mesures (Bowen et al, 2001). Ulleberg et Pryor (2002) utilisent un gnrateur olien comme source dnergie supplmentaire pour diversifier les modes de production. On peut citer galement des travaux sur les aspects politiques des systmes hybrides (Lund et stergaard, 2000; Lund et Clark, 2002), sur lanalyse des flux dnergie (Muljadi et Bialasiewicz,2003; Elhadidy et Shaahid, 2004) ou sur loptimisation de sa structure (Hongwei et al, 1999; Garcia et Weisser, 2006; Notton et al, 2001).

Les charges, alimentes par le systme hybride, sont de diffrents types : des habitations isoles (Notton et al, 2001), des btiments de logements (Elhadidy et Shaahid, 2005), des btiments publics (Elhadidy et Shaahid, 2004), des villages (Bowen et al, 2001) ou mme des les (Carta et al, 2003). Dans ces cas, le systme hybride fonctionne en rgime autonome. Lund et Mnster (2003) tudie un systme connect au rseau.

Lorsque le systme hybride fonctionne en rgime autonome, il comprend souvent un stockage qui peut tre idal (Muljadi et Bialasiewicz, 2003), classique par batteries (Bowen et al, 2001;

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Notton et al, 2001) ou innovant par utilisation dun lectrolyseur et dune pile combustible avec stockage dhydrogne (Muljadi et al, 2004; Ulleberg et Pryor, 2002; Garcia et Weisser, 2006).

Des logiciels connus ont t parfois utiliss comme EnergyPLAN (Lund et Mnster, 2003), TRNSYS (Ulleberg et Pryor, 2002) et Vissim packet (Muljadi et al, 2004). Dautres auteurs ont dvelopp des codes informatiques spcifiques pour des procdures doptimisation : utilisant soit des calculs multi variant (Notton et al, 2001; Elhadidy et Shaahid, 2005), soit une programmation linaire (Garcia et Weisser, 2006) ou dynamique (Hongwei et al, 1999), soit des algorithmes euristiques (Garcia et Weisser, 2006).

Des techniques conomiques ont t dveloppes pour lanalyse des systmes hybrides bases sur des observations relles (Carta et al, 2003) ou sur des prdictions dvolution des cots (Notton et al, 2001).

1.1.3.2.1.3. Systmes photovoltaque/olien/diesel

La mise en place dun tel systme a pour objectif de diversifier les sources dnergie renouvelables. On recherche ainsi une diminution plus significative de la quantit de fuel consomm puisque les sources renouvelables peuvent se complter et fournir une plus grande quantit dnergie.

Une partie des travaux est oriente vers des systmes installs (Pinto et Arajo, 2004; Khelif et Fatnassi, 2005; Phuangpornpitak et Kumar, 2007; Brito et al, 2004, McGowan et Manwell, 1999) ou vers la conception de nouveaux systmes (McGowan et al, 1996). On trouve aussi des tudes dinterconnexion de systmes dans le rseau lectrique, dans ltat de New York (Baghdadchi et Varmette, 2002) ou en Arabie saoudite (Elhadidy et Shaahid, 1999; Elhadidy, 2002). Dautres auteurs optimisent la configuration du systme selon divers critres : probabilit de perte de charge (El-Tamaly et Mohammed, 2006), combinaison dun cot minimal du systme et dune quantit minimale dmissions nuisibles (Bernal-Agustn et al, 2006) auxquels sajoutent la charge non satisfaite minimale (Dufo-Lpez et Bernal-Agustn, 2008). Pour trouver le systme optimal on utilise des algorithmes de Pareto (Bernal-Agustn et al, 2006), des algorithmes gntiques et volutifs (Dufo-Lpez et Bernal-Agustn, 2008) ou de la logique floue (El-Tamaly et Mohammed, 2006).

Ces systmes alimentent des maisons et des refuges (Elhadidy, 2002; Steinhser et al, 2004) ou des villages (Pint