THSE DE DOCTORAT SPECIALITE : PHYSIQUE Ecole Doctorale Sciences et Technologies de lInformation des Tlcommunications et des Systmes Prsente par : Miguel LOPEZ Sujet : CONTRIBUTION A L'OPTIMISATION D'UN SYSTEME DE CONVERSION EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE i Sommaire Introduction ..................................................................................................................... 1 1Systmes de Conversion Eoliens .............................................................................. 5 1.1Introduction ........................................................................................................... 5 1.1.1Bilan Energtique Mondial ........................................................................... 6 1.1.1.1 Les Utilisations de lEnergie Primaire ...................................................... 6 1.1.1.2 La Production dElectricit ....................................................................... 6 1.1.1.3 Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire ............................................................ 8 1.1.1.4 lIndustrie .................................................................................................. 8 1.1.1.5 Le Transport .............................................................................................. 9 1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energtique .......................................................... 9 1.1.2Energie et Environnement ............................................................................. 9 1.1.2.1 Limpact de la Consommation dEnergie sur lEnvironnement ............. 10 1.1.3Gnration Distribue de lElectricit ..................................................... 11 1.1.4Les Energies Renouvelables ........................................................................ 12 1.1.4.1 Hydraulique ............................................................................................. 14 1.1.4.2 Photovoltaque ......................................................................................... 15 1.1.4.3 lEolien .................................................................................................... 15 1.1.4.4 Environnement et Cot des Energies Renouvelables .............................. 16 1.2Classement des Turbines Eoliennes .................................................................... 18 1.2.1Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT) .......................................... 18 1.2.2Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT) .............................................. 20 1.3Boite de Vitesses ................................................................................................. 21 1.4Gnrateurs .......................................................................................................... 22 1.4.1Gnrateur Asynchrone (IG) ....................................................................... 23 1.4.1.1 Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG) ................................ 23 1.4.1.2 Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG) ................................... 23 1.4.2Gnrateur Synchrone (SG) ........................................................................ 25 1.4.2.1 Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG) .................................... 25 1.4.2.2 Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG) ......................... 26 1.4.3Autres Gnrateurs ...................................................................................... 26 1.4.4Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes ..................... 27 1.5Systmes de Stockage pour la production dlectricit ....................................... 30 1.5.1Types de Stockage dEnergie .................................................................. 30 1.6Applications des Turbines Eoliennes .................................................................. 31 1.6.1Systmes de Puissance Isols et Emploi de lEnergie Eolienne ................. 31 1.6.1.1 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne ...................................... 33 1.6.1.2 Systmes Hybrides Wind-Diesel ............................................................. 36 ii 1.6.1.3 Evolution de lolien dans les sites isols ............................................... 37 1.6.1.4 Systmes et Exprience ........................................................................... 39 1.6.1.5 Exprience sur les Systmes de Puissance Hybrides .............................. 40 1.6.2Systmes Eoliens Connects des Grands Rseaux ................................... 43 1.6.2.1 Systmes Distribus ................................................................................ 43 1.6.2.2 Parcs Eoliens ........................................................................................... 44 1.7Tendances ............................................................................................................ 46 1.7.1Systme Mcanique ..................................................................................... 46 1.7.2Systme Electrique ...................................................................................... 47 1.7.3Intgration de lEnergie Eolienne et Nouvelles Applications ..................... 47 1.8Conclusion ........................................................................................................... 48 2Optimisation dun Systme de Conversion Eolien ............................................... 49 Nomenclature .............................................................................................................. 49 2.1Introduction ......................................................................................................... 50 2.2Systme de Gnration Eolien Sans Electronique de Commande ...................... 50 2.2.1Modle du Systme ..................................................................................... 51 2.2.1.1Systme Mcanique ................................................................................. 52 2.2.1.2Systme Electrique .................................................................................. 54 2.2.1.3Paramtres du Systme ............................................................................ 59 2.3Problme dOptimisation .................................................................................... 63 2.3.1Contraintes .................................................................................................. 64 2.3.2Rsultats de lOptimisation ......................................................................... 66 2.3.3Slection dune paire (M, uS) unique .......................................................... 71 2.4Adaptation du Problme dOptimisation............................................................. 72 2.4.1Rsultats ...................................................................................................... 76 2.5Conclusion ........................................................................................................... 80 3Commande du Systme de Conversion Eolien ..................................................... 81 3.1Introduction ......................................................................................................... 81 3.2Systmes de Gnration Eoliens Commands .................................................... 83 3.2.1Commande Arodynamique du Rotor ......................................................... 84 3.2.1.1Commande de lAngle dAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) ....... 86 3.2.1.2Rgulation Angle Fixe (Passive Stall Control) .................................... 87 3.2.1.3Commande Stall Active (Active Stall Control) ....................................... 88 3.2.1.4Commande dOrientation ........................................................................ 88 3.2.2Commande du Systme Electrique ............................................................. 89 3.2.2.1Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes PalesAjustables ................................................................................................ 90 3.2.2.2Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes PalesFixes ........................................................................................................ 92 3.2.2.3Structure de Puissance Propose ............................................................. 97 3.2.2.4Stratgie de Commande Propose ........................................................... 99 3.2.2.5Rsultats ................................................................................................ 105 3.4Conclusion ......................................................................................................... 112 iii 4Mthode Analytique dEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de Puissance ...................................................................................................................... 113 Nomenclature ............................................................................................................ 113 4.1 Introduction ...................................................................................................... 114 4.2 Mthode Propose ............................................................................................ 115 4.2.1Calcul des Pertes ........................................................................................... 116 4.2.1.1 Pertes par Conduction dans les Diodes ..................................................... 116 4.2.1.2 Pertes par Conduction dans les Transistors ............................................... 116 4.2.1.3 Pertes par Conduction dans le Redresseur ................................................ 117 4.2.1.4 Pertes par Conduction dans le Hacheur ..................................................... 119 4.2.1.5 Pertes par Conduction dans lOnduleur .................................................... 121 4.2.2Pertes par Commutation ................................................................................ 123 4.2.2.1 Pertes par Commutation dans le Hacheur ................................................. 124 4.2.2.1 Pertes par Commutation dans lOnduleur ................................................. 124 4.3 Rsultats ........................................................................................................... 125 4.3.1Pertes dans le Redresseur .............................................................................. 126 4.3.2Pertes du Hacheur .......................................................................................... 129 4.3.2.1 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire Transistor/Diode .................................................................................................... 129 4.3.2.2 Comparaison : un Convertisseur Buck-Boost et une CombinaisonCascade des Convertisseurs Boost et Buck ........................................................... 130 4.3.3Pertes de lOnduleur ...................................................................................... 136 4.4Application : Evaluation des Pertes dun Systme Hybride ............................. 141 4.4.1Description du Systme ................................................................................. 141 4.4.2Procdure de Dimensionnement des Units .................................................. 142 4.4.3Evaluation des Pertes du Systme Hybride ................................................... 143 4.5 Conclusion ........................................................................................................ 147 Conclusions et Perspectives ........................................................................................ 149 Rfrences Bibliographiques ...................................................................................... 153 Annexes ........................................................................................................................ 157 Introduction Lacroissanceconstantedelaconsommationdnergiesoustoutessesformesetles effets polluants associs, principalement causs par la combustion des nergies fossiles, sontaucurdelaproblmatiquedudveloppementdurableetdusoinde lenvironnement dans une discussion pour lavenir de la plante. Le secteur de la gnration lectrique est le premier consommateur dnergie primaire et lesdeuxtiersdesessourcessontdescarburantsfossiles.Ilesttechniquementet conomiquementcapabledefairedeseffortsimportantspourrduirelesatteintesde lactivit humaine sur le climat et lenvironnement. Une des possibilits est daccrotre letauxdeproductiondlectricitpartirderessourcesdetypenon-fossileset renouvelables. Dautre part, le processus de libralisation des marchs lectriques, qui a dmarr il y a quelquesannes,permetledveloppementduneoffrenouvellepourlaproduction dlectricit.Certainsproducteursdepetitetaillenepeuventpastreraccordsau rseaudetransportdlectricit,laconnexionestalorsfaitedirectementaurseaude distribution. Ces comportements particuliers se sont progressivement dvelopps et sont maintenant dfinis sous le nom de Gnration Dcentralise. La situation nouvelle cre parcetypedegnrationenafaitundessujetslesplustudisdansledomainedes rseaux lectriques de puissance. Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possdent des atouts majeurs pour dvelopper leur participation la production dlectricitet pour intervenir sur le marchdelnergielectrique.Lhydrolectricitadjplusdunsiclede dveloppementetsonutilisationestmondialementrpandue.Aujourdhui,lesautres 2 Contribution lOptimisation d'un Systme de sources de gnration renouvelables, notamment le solaire et lolien, sont les nergies dont le taux de croissance est le plus lev. Leur dveloppement au niveau rsidentiel et industriel est considrable, particulirement en Europe et aux Etats-Unis. Les systmes utilisant lnergie du vent reprsentent la technologie en plus forte croissance. Parmi ces technologiesoliennes,denombreuxsystmes,dediffrentstypesonttconuset dvelopps tout en prolongeant une exprience dans ce domaine remontant sur plusieurs sicles. Denosjours,laformelaplusconnueetutilisedetechnologieolienneest larognrateur ; i.e. une machine qui obtient de lnergie partir du vent pour gnrer un courant lectrique. La taille de ces turbines oliennes modernes va de quelques watts jusquplusieursmgawatts.Lamajoritdessystmescommerciauxactuelssontdes turbines oliennes axe horizontal (HAWT) avec des rotors trois pales (tripales). Les turbines peuvent transfrer de lnergie lectrique un rseau de puissance travers des transformateurs, lignes de transport et sous-stations associs. Unegrandepartieduparcolienactuelestconstitudesystmesraccordsaurseau public.Pourtant,undesdomainesolestechnologiesrenouvelablespeuventse dvelopper de faon substantielle est celui de llectrification rurale ou des sites isols. Quandlesmthodesconventionnellesdefourniturednergielectriquecomme lextension du rseau et lutilisation de gnrateurs diesel deviennent trop coteuses ou difficilesimplmenter,lestechnologiesrenouvelables,capablesdegnrerde llectricitsurplace,sontunepossibilittrsintressante,tantauniveautechnique quconomique. Dautrepart,lessystmesoliensindividuels(stand-alone)quifournissentde llectricit des petitescommunauts sont de plus en plus nombreux. En raison de la caractristiqueintermittenteduvent,dessystmeshybridesavecunsupportdiesel, photovoltaqueet/ouavecunmoyendestockagedelnergiesontpopulairespourles zonesloignes.Danslagammedespetitesturbinesoliennes,latendanceestde dvelopperdessystmescommandsdeplusenplusefficaces,utilisantdesstructures Introduction 3 de conversion dcoupage lectronique pour largir la plage exploitable de vitesses du vent. Danscecontexte,lapportenvisagaveccetravaildethseestdecollaborerla conceptionoptimaledunsystmedeproductionolienisoldepetitetaille,pourles sites o lexpansion du rseau est difficile ou trop coteuse. Danslechapitre1decemanuscrit,unbilansurlesformesdnergieslesplus consommesdanslemondeestexpos.Ilestsuividelaprsentationdesproblmes environnementauxlislutilisationdelnergie.Lvolutiondelindustrielectrique versunmarchconcurrentielouvertestprsenteainsiquunrsumsurles caractristiques conomiques et environnementales des formes renouvelables dnergie. Uneprsentationgnraledelatechnologieolienneactuelleestfaiteencommenant parunedesclassificationslapluscourammentutilise.Latechnologieutilisantles boites de vitesses pour les turbines oliennes est aussi prsente. Les diffrents types de gnrateurslectriquesprsentsdanslesturbinesoliennessontexposs.Les applications,avecunsegmentddiauxsystmesisolssontaussiproposes.Un rsum sur les systmesde stockage est montr.Un sommaire des dernires tendances et perspectives de dveloppement de lolien est aussi prsent. Dans le deuxime chapitre, une mthode doptimisation dun systme de conversion de lnergieoliennedefaibletailletensionfixe estprsente.Lesystmeestcompos dlments disponibles commercialement : une petite turbine olienne axe horizontal, uneboitedengrenagesduntage,ungnrateursynchroneaimantspermanents,un pont de diodes et un groupe de batteries. Comme il ny a pas de dispositifs commands, la conception du systme doit tre soigneusement ralise pour trouver la configuration quimaximiseautantsonutilisationquelapuissancedlivre.Apartirdesquations mcaniqueetlectriquedfinissantlapuissancedelolienne,unproblme doptimisation est donc propos. Ce problme est cibl sur la combinaison optimale du rapportdetransformationdelaboitemcaniqueetdelatensiondebatteriepour recueillirlaplusgrandequantitpossiblednergiedusystmedeconversion.La puissancemcaniquedelolienneestmodliseenproposantunenouvellefonction 4 Contribution lOptimisation d'un Systme de dapproximationducoefficientdepuissance.Leproblmedoptimisationavec contraintesestrsoluavecunprogrammeMATLABspcialementdvelopppour lapplication de gnration olienne. Le chapitre 3 est consacr aux structures commandes de gnration olienne pour leur applicationdansunsystmedepuissanceisoldepetitetaille.Danscecas,la commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine olienne parajustementdelavitessederotationdugnrateuraimantspermanents.Cette rgulationdevitesseestraliseparunconvertisseurlectroniquedepuissance introduitdanslachainedeconversion.CeconvertisseurDC/DCprofitedelatension presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension dentre, de faon modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation de son rotor. Une topologie de convertisseur lvateur abaisseur est propose de faon commander le systme sur toute la plage de vitesses de vent,en suivant la puissance maximale pour les vents faibles et en rgulant puissance nominale pour les vents forts. Ledernierchapitreprsenteuneamliorationducalculdespertesdesconvertisseurs statiquesdepuissancepouruneapplicationunsystmednergiehybride renouvelable.Lobjectifestdvaluerlespertesnergtiquesdanslesystmepour contribuerauxprocduresdedimensionnementdeslments.Lesmodlesdvelopps considrentlespertesdeconductionetdecommutationpourprciserlavariationdu rendementdesconvertisseursavecleschangementsdelachargeetdessourcesde productionrenouvelables.Cetteapprocheesttestesurplusieursconvertisseurs lectroniques de puissance et dans un systme hybride pralablement dimensionn. Pour lapplicationausystmehybride,lamthodologieproposeestcomparesurunebase horaire avec une autre approche base sur un principe de rendement constant en utilisant un logiciel spcialement dvelopp. Limportance de lvaluation correcte des pertes est alors dmontre. 1Systmes de Conversion Eoliens 1.1Introduction Leventestunesourcednergierenouvelable,conomique,exploitableavecunbon niveaudescuritetrespectueusedelenvironnement.Danslemondeentier,les ressources dnergie olienne sont pratiquement illimites. Les rcents dveloppements technologiquesdanslesdomainesdesturbinesoliennesvitessevariable,en lectroniquedepuissanceetencommandedemachineslectriquestendentrendre lnergieolienneaussicomptitivequelnergiedoriginefossile(Mathew,2006; Chen and Blaabjerg, 2006). LAllemagne est aujourdhui le premier producteur dnergie partir du vent, avec une puissanceinstallede16630MW,etplusde15000turbinesenopration(Chenand Blaabjerg,2006;Hau,2006).ElleestsuivieparlEspagneavecquelques8260MW. Les Etats-Unis sont en troisime position avec 6740 MW de puissance installe, suivis par le Danemark avec 3120 MW et lInde avec 3000 MW installs. LEurope concentre pratiquementlerestedelaproductionmondiale.LesPays-Bas,leRoyaume-Uniet lItalieprogressentfortementencedomaine.Dautrespaysenvisagentdedvelopper considrablementcettesourcednergie :parexemple,laChineetlAustralie(Chen and Blaabjerg, 2006). Ce chapitre prsente un bilan des formes dnergies les plus consommes au monde. Il tablitlacorrlationentrelutilisationdelnergieetlesproblmesenvironnementaux quisensuivent.Lesconsquencesdelvolutiondelindustrielectriqueversun march concurrentiel ouvert y sont abordes succinctement ainsi que les caractristiques 6 Contribution lOptimisation dun Systme de conomiques et environnementales des formes renouvelables dnergie. La technologie olienneactuelleyestprsentesouslaformeduneclassificationcouramment employe. Lintrt de mettre en uvre une boite de vitesses pour les turbines oliennes yestaussidmontr.Lesdiffrentstypesdegnrateurslectriquesprsentsdansles turbinesoliennesysontexposs.Lesapplications,avecunsegmentddiaux systmesisols,ysontaussiprsentes.Lesdiffrentssystmesdestockagesont recenssetlesdernirestendancesetperspectivesdedveloppementdeloliensont voques. 1.1.1Bilan Energtique Mondial Faceunedemandeenconstanteaugmentationetunerpartitioningaleentreles zones gographiques, les Etats se trouvent confronts des enjeux majeurs : quilibrer leurbilannergtique,limiterleurdpendancevis--visdezonespolitiquement instables, concilier besoins et respect de lenvironnement et, enfin, prparer linvitable puisementdesressourcesactuellementexploitesendveloppantdesnergies alternatives (Mons, 2005). 1.1.1.1Les Utilisations de lEnergie Primaire Lnergieprimaire rpondauxbesoinsdequatregrandescatgoriesde consommation : production dlectricit, usage domestique, industrie et transports. Dans le monde, le charbon demeure largement en tte comme source primaire. La figure 1.1 montre la rpartition de la consommation de lnergie par secteur dactivit. 1.1.1.2La Production dElectricit Actuellement, la plus grande part de la consommation nergtique mondiale est ddie laproductiondlectricit.Labondancedesrservesdecharbon(danscertaineszones gographiques)etleurfaiblecotdexploitationexpliquentquelecharbonsoit conomiquementavantageuxetarriveenttedanslesressourcesexploitespourla Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 7 productiondlectricit.Enrevanche,limpactenvironnementalducharbonest nettement en sa dfaveur, mme avec les technologies les plus rcentes, pourtant moins polluantes.Ensuitevientlegaznaturel ;laturbinegazcyclecombinestla principaletechnologiedeproductiondlectricitmiseenservicedanslemonde,en particulier en Europe. A titre dexemple, en 2000, au Royaume-Uni, 32% de llectricit tait produite partir du gaz naturel, contre seulement 2% en 1990 (Mons, 2005). Energie PrimaireProduction d'lectricit (29 %)Ptrole9%Gaz Naturel19%Uranium16%Autres20%Charbon36%Residentiel et Tertiaire (26 %)Autres34%Electricit14%Gaz Naturel19%Ptrole19%Charbon14%Industrie (25 %)Gaz Naturel18%Electricit17%Autres17%Ptrole17%Charbon31%Transport (16 %)Ptrole96%Gaz4% Figure 1.1. Les diffrents secteurs de consommation dnergie dans le monde lheure actuelle Lenuclaireestletroisimemodedeproductiondlectricitdanslemonde.Cest dailleurssonseulusage,endehorsdesapplicationsmilitaires.Cettetechnologieest toutefoisrserveauxpayslesplusriches,enraisondelacomplexitduprocessuset desinvestissementsncessaires.LaFranceestlepaysquirecourtleplusaunuclaire pour produire de llectricit (environ 80% de la consommation dnergie lectrique).8 Contribution lOptimisation dun Systme de Le ptrole est peu utilis pour la production dlectricit. Enfin, les autres nergies sont surtoutreprsentesparlesnergiesrenouvelables,hydrolectricitentte.Certains pays,commelaSude,produisentlessentieldeleurlectricitgrceauxbarrageset aux cours deau. 1.1.1.3Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire Il arrive en seconde position dans la consommation dnergie primaire. Il est important denotericiquellectricitestuneformednergiesecondaire,cependantsource primaire dnergiepourlessecteursrsidentielettertiaireetlindustrie principalement.Danscesecteur,lechauffageconstituelepremierusageetilconvient derajouterlacuisine.Lefonctionnementdesappareilsmnagersetinformatiqueset, surtout,lclairagefontappelllectricit.Lesnergiesfossilesrpondentsurtoutau premier usage, mme si quelques pays dont la France se servent de llectricit pour lechauffage.Labiomasseestaussilargementutilise.Lapopulationdespaysenvoie de dveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages domestiques,cequinestpassansposerdeproblmesdedforestation(enAfrique principalement). 1.1.1.4lIndustrie Ce secteur qui consomme 25% de lnergie dans le monde prsente le bilan le plus quilibr. Le charbon est, nanmoins, une nouvelle fois en tte. Cette ressource est trs largementutilisedanslesrgionsindustriellesdespaysmergents,enparticulieren ChineetenInde.Leptroleintresselindustriepourproduireunepartiedelnergie ncessairemaisaussientantquematirepremiredesplastiquesetautresproduits drivs : environ 15% du ptrole consomm par lindustrie sert de matire premire. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 9 1.1.1.5Le Transport Cestlequatrimegrandsecteurdeconsommation,ilrecourtquasiexclusivementau ptrole et ses drivs. Cette forte dpendance pose de nombreux problmes lorsque les cours du ptrole slvent. Les nergies alternatives llectricit et le gaz nont pas russi simposer dans lautomobile pour linstant. 1.1.1.6Une Concurrence Inter Energtique En gnral, part quelques exceptions, aucun usage nest exclusivement assur par une sourceuniquednergie.Cestlaraisonpourlaquelleonassistedesmodifications sensiblesdelacontributiondesdiffrentesnergiesaubilannergtiquemondial.La forteprogressiondugaznaturel,quisesubstituepeupeuaucharbondansla productiondlectricit,enestlaprincipaleillustration.Lesvolutionssonttoutefois trslentescarlnergieestuneindustriedelongterme.Danslecasdelaproduction dlectricit, les centrales ont une dure de vie de lordre de 30 40 ans, voire plus de 50 ans dans le cas des centrales nuclaires. 1.1.2Energie et Environnement Laprservationdelenvironnementestundesprincipauxdfisquedoitrelever lindustrienergtique.Laconsommationdnergieencroissancergulireest loriginedunepollutionconsidrable.Lenjeuestdoncdeconcilierlesbesoins nergtiquesaveclerespectdelenvironnement.Silaprisedeconsciencesemble dsormais tre une ralit, les actions sont trs longues mettre en place. Dautant que laresponsabilitestcollective,carlutilisationrationnelledelnergieconcerneaussi bien les gouvernements, les producteurs que les consommateurs. 10 Contribution lOptimisation dun Systme de 1.1.2.1Limpact de la Consommation dEnergie sur lEnvironnement Lacombustiondnergiefossileestlapremireactivithumaineresponsablede lmissiondegazeffetdeserre.SelonlAgenceInternationaledelEnergie,la consommationhumainednergiefossilearejet22639millionsdetonnesdeCO2en 2000 (Mons, 2005). Les Emissions Gazeuses Lesrejetsdelacombustiondescarburantsreprsententlestrois-quartsdesmissions humainesdedioxydedecarbone.Laconcentrationdecegazdanslatmosphre augmente rgulirement. Actuellement, ce taux est de 0.0365% contre 0.028% au milieu du XIXme sicle (+ 30%). Le deuxime gaz effet de serre est le mthane (CH4), dont laconcentrationadoublsurlammepriode.Sesmissionssongnrespar lagriculture(levageetrizire),lesactivitsnergtiques(fuitesdegazetindustrie charbonnire) et les dchets mnagers (Mons, 2005). Unepolmiquealongtempsopposlacommunautscientifiquesurlaralitdu rchauffementclimatiqueetlaresponsabilitdesactivitshumaines.Legroupe intergouvernementaldexpertssurlvolutionduclimat(GEICouIPCC,delanglais Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdhui que cet effet constat depuis une cinquantaine dannes est bien attribuable aux activits humaines. Cettestructurecreen1988parlOrganisationMtorologiqueMondialeetle ProgrammedesNationsUniespourlEnvironnementaconstatquelatemprature moyenneavaitaugmentde0.6Caucoursdusicleprcdent(avecunemarge derreur denviron 0.2C). Le rchauffement nest toutefois pas uniforme puisquil a t constat en deux phases : de19101945etdepuis1976.Lephnomnetenddailleurssacclrercarla dcennie1990sembletrelapluschaudedepuis1961lanne1998entte.Les principalesconsquencesvisiblessontlarductiondelacouvertureneigeuse(-10% Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 11 depuis40ans),lafontedesglaciersetdelabanquiseetsoncorollaire,lahaussedu niveau moyen des ocans (Mons, 2005). Les Mares Noires AmocoCadiz,ExxonValdez,Erika,reprsententautantdenomstristementclbres pouravoirsouilllameretlelittoraldesctes.Lhistoiredelindustrieptrolireest jalonne de mares noires. Lesconsquencesdecesaccidentssontdsastreusespourlafaune,lafloreetles activitshumaines(pche,ostriculture,tourisme,etc.).Cependant,lattributiondes responsabilits est complexe, chacune des partiesvitant de les prendre. En matire de nettoyage et dindemnisation, cest le plus souvent ltat du pays victime de la pollution quiassumelessentieldescharges.Toutefois,quelquesprogrssontraliss, notamment pour acclrer la disparition des navires simple coque, comme l'Erika. Nanmoins, les mares noires ne sont quune petite partie des rejets dhydrocarbures en mer - de 2 6 % du total selon les estimations - lesquelles reprsentent au total entre 2 et 6 millions de tonnes (Mons, 2005). La trs grande majorit des rejets correspond aux dgazages, en dautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des rsidus de filtration du fioul lourd. 1.1.3Gnration Distribue de lElectricit Lesystmedepuissancetraditionnelintgrverticalement(gnration,transportet distribution dnergie lectrique) est dans une tape initiale dun processus qui pourrait tre un changement rvolutionnaire (Masters, 2004). Lpoque des centrales de plus en plusgrandessembleparvenuesonterme.Lesrseauxdetransportetdedistribution commencentsouvrirdesproducteursindpendantsmettantenuvredescentrales plus petites, moins coteuses et plus efficaces. De nombreux pays se sont engags dans lavoiedelargulationdesrseauxaveclobjectifdencouragerlaconcurrenceentre producteursetpermettreainsiauxclientsdechoisirleurfournisseur,avectoutefoisun succs dmontrer.12 Contribution lOptimisation dun Systme de Lindustrielectriquesembleainsieffectuerunretourenarrire,lorsquelessentielde lnergie lectrique tait gnre localement par de petits systmes isols en vue de son utilisation directe. Les anciens gnrateurs vapeur utiliss pour fournir de la chaleur et dellectricitonttrouvleursquivalentsmodernessouslaformedemicro-turbines, piles combustible, moteurs combustion interne et petites turbines gaz. Enplusdelintrtconomique,dautresargumentsontplaidenfaveurdune transition vers les systmes dnergie dcentraliss petite chelle ; il sagit notamment desretombessurlenvironnement,delavulnrabilitdessystmesdnergie centraliss en cas dattentat et de la fiabilit de llectricit. 1.1.4Les Energies Renouvelables Ledveloppementetlexploitationdesnergiesrenouvelablesontconnuuneforte croissance ces dernires annes. Dici 20-30 ans, tout systme nergtique durable sera bassurlutilisationrationnelledessourcestraditionnellesetsurunrecoursaccruaux nergiesrenouvelables.Naturellement dcentralises, il est intressant de les mettreen uvresurleslieuxdeconsommationenlestransformantdirectement,soitenchaleur, soitenlectricit,selonlesbesoins.Laproductiondlectricitdcentralisepartir dnergiesrenouvelablesoffreuneplusgrandesretdapprovisionnementdes consommateurstoutenrespectantlenvironnement.Cependant,lecaractrealatoire dessourcesimposedesrglesparticuliresdedimensionnementetdexploitationdes systmes de rcupration dnergie (Gergaud, 2002). Unesourcednergieestrenouvelablesilefaitdenconsommernelimitepasson utilisation future. Cest le cas de lnergie du soleil, du vent, des cours deau, de la terre, delabiomassehumideousche,unechelledetempscompatibleaveclhistoirede lhumanit. Ce nest pas le cas des combustibles fossiles et nuclaires. Lutilisation des nergies renouvelables nest pas nouvelle. Celles-ci sont exploites par lhomme depuis la nuit des temps. Autrefois, moulins eau, vent, feu de bois, traction Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 13 animale, bateaux voile ont largement contribu au dveloppement de lhumanit. Elles constituaient une activit conomique part entire, notamment en milieu rural o elles taientaussiimportantesetaussidiversifiesquelaproductionalimentaire.Maisdans les pays industrialiss, ds le XIXme sicle, elles furent progressivement marginalises auxprofitsdautressourcesdnergiequelonpensaitplusprometteuses.Depuislors, la pollution atmosphrique, lerchauffement climatique, les risques du nuclaire et les limitesdesressourcesontfaitprendreconsciencequundveloppementconomique respectueux de lenvironnement, dans lequel nous vivons, est ncessaire. Leschocsptrolierssuccessifsobservsdepuislesannes70ontdmontrlesrisques conomiques et gopolitiques de la production dnergie reposant sur lexploitation des ressources fossiles, dont les rserves sont mal rparties et puisables. Deplus,unegrandepartiedumondeneserasansdoutejamaisraccordeauxrseaux lectriques dont lextension savre trop coteuse pour les territoires isols, peu peupls oudifficilesdaccs.MmeauseindelEuropeoccidentaledetels sitesisols ne sont pas exceptionnels. Actuellement deux milliards et demi dhabitants, principalement dansleszonesruralesdespaysendveloppement,neconsommentque1%de llectricit produite dans le monde. Lesnergiesrenouvelablesconstituentdoncunealternativeauxnergiesfossiles plusieurstitres:ellesperturbentgnralementmoinslenvironnement,nmettentpas degazeffetdeserreetneproduisentpasdedchets ;ellessontinpuisables ;elles autorisentuneproductiondcentraliseadaptelafoisauxressourcesetauxbesoins locaux ; elles offrent une importante indpendance nergtique. Parmi les nergies renouvelables, trois grandes familles mergent : lnergie dorigine et finalit mcanique ( partir du vent, des mouvements de leau), lnergie finalit lectrique(partirdepanneauxphotovoltaques,doliennes,debarrages hydrauliques)etlnergiedorigineetfinalitthermique(gothermie,solaire thermique).Laplupartdecesformesdnergieproviennentdusoleil,quelques exceptionsprs(mares,gothermie).Etantdonnquelnergiesousforme 14 Contribution lOptimisation dun Systme de mcaniqueesttrsdifficilementtransportable,ellenestutilisablequelocalement (pompagedirectdeleau,moulins).Cestpourquoi,pourlessentiel,elleest transforme en nergie lectrique. A lexception de la biomasse et de lhydraulique, un inconvnientmajeurdesnergiesrenouvelablesprovientdelanon-rgularitdes ressources.Deplus,lesfluctuationssaisonniresetjournaliresdelademandeen puissancenesontpasforcmentsynchronisesaveclesressources.Parexemple,en hiver, le besoin nergtique est plus important pour le chauffage et lclairage alors que lesjournesdensoleillementsontpluscourtes.Ladiversificationdessourcespermet statistiquementdelimitercesinconvnients.Ilpeutsagirnotammentdecouplerdes panneaux photovoltaques avec une olienne (Mirecki, 2005).Le stockage de lnergie lectrique supprime ces inconvnients lorsque la technologie le permet. Lesformesdnergierenouvelablesfinalitlectriquequisontactuellementlesplus exploitestoutenrespectantaumieuxlenvironnementsontlhydraulique,lesolaire photovoltaque et lolien. Ces trois formes dnergie sont prcises dans ce qui suit. 1.1.4.1Hydraulique Leau,commelair,estenperptuelmouvement.Parrapportlair,sadensitplus importanteenfaitunexcellentvecteurdnergie.Lesbarragessurlesriviresontune capacitimportantepourlespaysrichesencoursdeauquibnficientainsidune sourcednergiepropreetstockable.Cetteressourcereprsentaiten1998environ 20% de la production mondiale de lnergie lectrique (Mirecki, 2005). Certains pays dontlaFrancesontdjsatursensiteshydrolectriquesexploitablesetne peuvent pratiquement plus progresser de manire importante dans ce domaine. Les sites de faible puissance (infrieure 10kW) sont bien adaptsaux petits rseaux isols. En 1999,lEuropecomptaitenviron10000MWdepuissancehydrauliqueinstalle.A lhorizon 2100, cette puissance pourrait passer 13000 MW. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 15 1.1.4.2Photovoltaque Lnergiephotovoltaqueestobtenuedirectementpartirdurayonnementsolaire.Les panneaux photovoltaques, composs de cellules photovoltaques base de silicium, ont lacapacitdetransformerlnergiephotoniqueennergielectrique.Lecourant continu ainsi produit est directement utilisable. La fabrication des panneaux solaires est actuellementcoteusebienquelamatirepremire(silice)soitabondanteetpeu onreuse.Celasexpliqueparunenergiesignificativencessairelaproductiondes cellules.Derelsprogrsonttoutefoistraliss.lheureactuelle,ilfautquand mme58anspourquunpanneauproduiselnergiequesaconstructionautilise. Unautreinconvnientestceluidelapollutionlaproductionquiestduela technologieemploye.Desavancestechnologiquessontencoursderalisation.En raisondescaractristiqueslectriquesfortementnonlinairesdescellulesetdeleurs associations,lerendementdessystmesphotovoltaquespeuttreaugmentparles solutions utilisant la technique dsormais classique et prouve de recherche du point de puissancemaximale(MaximumPowerPointTracker :MPPT).Cettesolutionest galement utilisable pour la production dnergie olienne. Les panneaux solaires sont faciles mettre en uvre. Leur intgration dans un btiment peutaussiajouterunetoucheesthtique.Ilsapportentunebonnerponseauxbesoins nergtiqueslimitsdanslessitesisolsetdisperss(tlcommunication,balises maritimes). Lnergiephotovoltaqueestentrsforteprogression :en2001,lEuropecomptait environ 250 MW installs ; en 2003, ce chiffre est mont 560 MW (Mirecki, 2005). 1.1.4.3lEolien La ressource olienne provient du vent, lequel est d indirectement lensoleillement de laTerre :unediffrencedepressionsecreentrecertainesrgionsdelaplante,en fonction du rchauffement ou du refroidissement local, mettant ainsi des masses dair en mouvement. Exploite depuis lantiquit puis longtemps nglige, cette nergie connat 16 Contribution lOptimisation dun Systme de depuisenviron30ansunessorsansprcdentnotammentdauxpremierschocs ptroliers.lchellemondiale,lnergieoliennemaintientuntauxdecroissancede 30%parandepuisunedizainedannes.LEurope,principalementsouslimpulsion allemande, scandinave et espagnole, comptait environ 15000 MW de puissance installe en 2000. Ce chiffre a presque doubl en 2003, soit environ 27000 MW pour 40000MW depuissanceinstalledanslemonde.Lesprvisionspour2010fonttatdune puissance olienne installe en Europe de lordre 70000 MW (Mirecki, 2005). 1.1.4.4Environnement et Cot des Energies Renouvelables Vis--visdurespectdelenvironnement,lesnergiesrenouvelablesontunavantage majeur, mme si leur intrt conomique courtterme nest pas toujoursavr.Ainsi, en 2001, les oliennes installes au Danemark un des pays parmi les mieux quips ontpermisdviter3.5millionsdetonnesdeCO2,6450tonnesdeSO2,6000tonnes doxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons, 2005). Silontientcomptedelapollutionproduitelorsdelafabricationdesdiffrentes technologies,lnergieolienneestlamoinspolluanteavecseulement9gdeCO2par kWh (Mons, 2005). La biomasse est galement trs bien place car elle ne contribue pas au rchauffement climatique dans la mesure o le bois, pendant sa croissance, fixe une quantit au moins quivalente de CO2. Seul le nuclaire est en mesure de rivaliser avec lesnergiesrenouvelablesavecseulement10gdeCO2misparkWh.Cependant,la production dlectricitnuclairegnre des dchets radioactifs peucomplexes grer maissourcesdinquitudespourlavenir(enparticulierceuxvielongue,hautement radioactifs). Lesnergiesrenouvelables,horslhydrolectricit,seheurtentcependantplusieurs obstacles, dont le plus important est incontestablement conomique. A lheure actuelle, ellessontpeuoupasrentables.Alexceptiondelhydrolectricitdjlargement exploite,lesnergiesrenouvelablessouffrentdelacomparaisonconomiqueavec dautres sources dnergie. Quelques exemples suffisent rvler les carts. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 17 Cots dInvestissement et dExploitationAlors que le cot dinvestissement dun cycle combin au gaz naturel est infrieur 500 /kW (Mons, 2005), il est gnralement compris entre 1000 et 3000 /kW pour lolien etentre3000et5000/kWpourlephotovoltaque..Actuellement,lecotmoyendu kWh nuclaire est de lordre de 3 4 centimes deuro (c) et de 4 8 c, selon le site, danslecasdukWhdorigineolienne,lapluscomptitivedesnergiesrenouvelables hors hydrolectricit. Toutefois, lolien peut rivaliser avec la production dlectricit partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du march. Lescotsdeproductiondellectricitpartirdesautresnergiesrenouvelablessont encoreplushauts(15cpourlagothermieetjusqu65cpourlephotovoltaque). Lesprogrssontnanmoinstrsrapidesetlolienestdsormaisprochedesnergies classiques. En un peu plus de 20 ans, le cot du kWh olien a diminu de prs de 90% (38cen1980).Delammemanire,lesprixdespanneauxphotovoltaquesbaissent denviron 4% par an depuis 15 ans grce aux effets de srie (Mons, 2005). Impact sur lEnvironnement La comptitivit des nergies renouvelables pourrait tre dope si les cots annexes des diffrentesnergiestaientprisencompte.LaCommissionEuropenneestimele surcotliladgradationdelenvironnement :entre2et15cpourunecentraleau charbon,entre3et11cpourunecentraleaufioul,aumaximum2.5cpourles nergiesrenouvelables(Mons,2005).LahirarchiedescotsdeproductiondukWh partirdesdiffrentesnergiessentrouvecompltementmodifie.Laplupartdes nergiesrenouvelablessontalorspluscomptitivesquelescentralesaucharbonetau fioul.Actuellement,cescotsannexesnesontpasretenusmaisdesrflexionssont menes sur la mise en place de certificats verts (quotas de production dlectricit partir de renouvelables). Outreleurmanquedecomptitivitconomique,lesnergiesrenouvelablesen particulierlolienetlesolaireontuninconvnientsrieux :lintermittence.Leur disponibilitest,eneffet,irrgulirepuisquelledpenddelavitesseduventetde lensoleillement.Endpitdecesdsagrments,desentreprisesspcialisesdansla 18 Contribution lOptimisation dun Systme de constructionolienneontmerg,enparticulierenAllemagne,auDanemarketen Espagne.LeleadermondialVestas(Danemark)adoublsonchiffredaffairesdepuis 2000 pour atteindre 1.7 milliards deuros en 2003. Lutilisation de moyens de stockage permetderduirelesinconvnientsdelintermittencedessourcesdnergie(Breeze, 2005 ; Ribeiro et. al, 2001). 1.2Classement des Turbines Eoliennes AprssespremiresutilisationslpoquedelaPerseAntique,latechnologiequi permetdeprofiterdelnergieduventavolusousdiversesformesettypesde machines.Lastructuredebasedesturbinesoliennesconsisteaujourdhuienunrotor pourcapterlnergieduventenlatransformantennergieenrotation,unsystme dengrenagepourdmultiplierlavitessederotationdurotor,unemachinelectrique pour convertir lnergie mcanique en lectricit. Un schma de principe est donn la figure1.2.Ilexistediffrentesfaonsdeclasserlesturbinesoliennesmaiscelles-ci appartiennent principalement deux groupes selon lorientation de leur axe de rotation : celles axe horizontal et celles axe vertical. Wind turbine Electric Generator Speed-up Gearbox Electric grid or load Figure 1.2. Schma de principe dun systme olien 1.2.1Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT) Uneturbineaxederotationhorizontaldemeurefaceauvent,commeleshlicesdes avions et des moulins vent. Elle est fixe au sommet dune tour, ce qui lui permet de Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 19 capterunequantitplusimportantednergieolienne.Laplupartdesoliennes installes sont axe horizontal. Ce choix prsente plusieurs avantages, comme la faible vitessedamorage(cut-in)etuncoefficientdepuissance(rapportentrelapuissance obtenueetlapuissancedelamassedairenmouvement)relativementlev(Mathew, 2006). Toutefois, la boite de vitesses et la machine lectrique doivent tre installes en hautdelatour,cequiposedesproblmesmcaniquesetconomiques.Parailleurs lorientationautomatiquedelhlicefaceauventncessiteunorganesupplmentaire ( queue , yaw control ). Selon son nombre de pales, une HAWT est dite mono-pale, bipale, tripale ou multi-pale. Une olienne mono-pale est moins coteuse car les matriaux sont en moindre quantit et,parailleurs,lespertesarodynamiquesparpousse(drag)sontminimales. Cependant,uncontrepoidsestncessaireetcetypedoliennenestpastrsutilis cause de cela. Tout comme les rotors mono-pales, les rotors bipales doivent tre munis dunrotorbasculantpourviterqueloliennenereoivedeschocstropfortschaque fois quune pale derotor passe devant la tour(Windpower, 2007).Donc,pratiquement toutes les turbines oliennes installes ou installer prochainement sont du type tripale. Celles-cisontplusstablescarlachargearodynamiqueestrelativementuniformeet elles prsentent le coefficient de puissance le plus lev actuellement. Suivantleurorientationenfonctionduvent,lesHAWTsontditesen amont (up-wind) ou en aval (down-wind). La figure 1.3 montre les deux types mentionns. Les premires ont le rotor face au vent ; puisque le flux dair atteint le rotor sans obstacle, le problmede lombredelatour (towershadow)estbienmoindre.Nanmoins,un mcanismedorientationestessentielpourmaintenirenpermanencelerotorfaceau vent. Les oliennes rotor en aval nont pas besoin de ce mcanisme dorientation mais le rotor est plac de lautre cot de la tour : il peut donc y avoir une charge ingale sur lespalesquandellespassentdanslombredelatour.Decesdeuxtypesdoliennes, celle en amont est largement prdominante. 20 Contribution lOptimisation dun Systme de Figure 1.3. Turbines oliennes en amont et en aval 1.2.2Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT) LaxederotationduneVAWTestverticalparrapportausoletperpendiculairela direction du vent. Ce type de turbine peut recevoir le vent de nimporte quelle direction, cequirendinutiletoutdispositifdorientation.Legnrateuretlaboitedengrenages sontdispossauniveaudusol,cequiestplussimpleetdoncconomique(Mathew, 2006).Lamaintenancedusystmeestgalementsimplifiedanslamesureoellese fait au sol. Ces turbines ne disposent pas de commande dangle de pale comme certaines HAWT. La figure 1.4 montre trois conceptions de VAWT. Uninconvnient,pourcertainesVAWT,estdencessiterundispositifauxiliairede dmarrage.DautresVAWTutilisentlapousse(drag)pluttquelaportance arodynamique(lift,effetquipermetunaviondevoler),cequisetraduitparune rduction du coefficient de puissance et un moindre rendement. La majorit des VAWT tournefaiblevitesse,cequiesttrspnalisantdanslesapplicationsdegnration dlectricit avec connexion au rseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit permettreuneimportantedmultiplication.Lefaiblerendementarodynamiqueetla quantitdeventrduitequellesreoiventauniveaudusolconstituentlesprincipaux handicaps des VAWT face aux HAWT. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 21 Figure 1.4. Turbines axe vertical (Source: Hau, 2006) 1.3Boite de Vitesses Laboitedevitessesestuncomposantimportantdanslachanedepuissancedune turbine olienne. La vitesse de rotation dune turbine olienne typique est de lordre de quelquestours/mnquelquescertainesdetours/mnselonsesdimensions(Breeze, 2005 ;Mathew,2006)alorsquelavitesseoptimaledungnrateurconventionnelse situeentre800et3600tours/mn.Enconsquence,uneboitedevitesseslvatriceest habituellement ncessaire pour adapter les deux vitesses de rotation. La boite de vitesses dune turbine olienne doit tre extrmement robuste (heavy duty). Lidalseraitquelegnrateurlectriquepuisseaussifonctionnervitessevariable commecelleduvent.Cetteapprocheimpliquetoutefoisunconvertisseurlectronique pour adapter la frquence de fonctionnement du gnrateur celle du rseau. Le surcot nest pas ngligeable. Dans les turbines de taille moyenne et grande, la relation de vitesses dsire est obtenue par lintroduction dun systme dengrenage 2 ou 3 tages. Si un rapport plus lev est ncessaire,unensembledengrenagesdansunautrearbreintermdiairepeut sintroduire dans le systme. Nanmoins, le rapport entre un ensemble dengrenages est contraintnormalement1:6(Mathew,2006).Deplus,lesengrenagespicyclodaux peuventtransmettredemanirefiabledesgrandescharges.Denosjours,desboites 22 Contribution lOptimisation dun Systme de hauteperformanceavecdesrapportsde1:100etplussontutilisessurlesgrands gnrateurs. La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine olienne (Breeze, 2005 ;Hau,2006).Lesproblmesconstatsproviennentdunmauvais dimensionnementdelaboitevis--visdesonspectredecharge.Danslesturbines oliennes,ilestdifficiledestimerlesforteschargesdynamiquesquelaboitedoit supporter.Historiquement,lespremiresboitestaientsous-dimensionnes. Lexpriencedescassesquisensuivirentapermisauxconstructeursdeparvenirun dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau, 2006). Lesdiffrentesconfigurations,unemthodededimensionnement,deschiffrespourle rendementdesboitesdevitessesutilisesdanslesapplicationsoliennesetleconcept dentranement direct (gearless) sont donns dans lannexe A. 1.4Gnrateurs Lapplicationlaplusfrquentedesturbinesoliennesestaujourdhuilaproduction dlectricit.Pourcela,lutilisationdunemachinelectriqueestindispensable.Les gnrateurs habituellement rencontrs dans les oliennes sont prsents dans ce qui suit. Diffrentstypesdemachineslectriquespeuventtreutilisspourlagnrationde puissanceolienne.Desfacteurstechniquesetconomiquesfixentletypedemachine pour chaque application. Pour les petites puissances (< 20 kW), la simplicit et le cot rduitdesgnrateurssynchronesaimantspermanents(PMSG)expliquentleur prdominance. Dans les applications de plus forte puissance, jusqu 2 MW environ, le gnrateur asynchrone est plus courant et conomique. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 23 1.4.1Gnrateur Asynchrone (IG) Legnrateur induction est largement utilis dans les turbines oliennes de moyenne etgrandepuissanceenraisondesarobustesse,sasimplicitmcaniqueetsoncot rduit.Soninconvnientmajeurestlaconsommationduncourantractifde magntisation au stator. 1.4.1.1Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG) Jusqu prsent le SCIG correspond au choix prpondrant de par sa simplicit, son bon rendementetunemaintenancerduite(Ackermann,2005).Lademandedepuissance ractive est compense par la connexion dun groupe de condensateurs en parallle avec legnrateur(Figure1.5),ouparlamiseenuvredunconvertisseurstatiquede puissance (Figure 1.7). Rotor Gearbox SCIG Capacitors Utility grid or Electric load Figure 1.5. Systme de conversion olien avec SCIG vitesse fixe 1.4.1.2Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG) Grceunsystmedebaguesetbalais,latensionappliqueaurotorpeuttre commande par un convertisseur lectronique de puissance. De lnergie pouvant ainsi tre applique ou extraite du rotor, le gnrateur peut se magntiser par le rotor comme par le stator (Ackermann, 2005). 24 Contribution lOptimisation dun Systme de Gnrateur Asynchrone Doublement Aliment (DFIG) Unedesconfigurationsenfortecroissancedanslemarchdesturbinesoliennesest connue sous le nom de gnrateur asynchrone doublement aliment (DFIG). Celui-ci est un WRIG dont le stator est reli directement au rseau de puissance et dont le rotor est connectunconvertisseurdetypesourcedetension(VSC)en back-to-back ,qui faitofficedevariateurdefrquence.Ladoublealimentationfaitrfrencelatension dustatorprleveaurseauetlatensiondurotorfournieparleconvertisseur.Ce systmepermetunfonctionnementvitessevariablesuruneplagespcifiquede fonctionnement.Leconvertisseurcompenseladiffrencedesfrquencesmcaniqueet lectrique par linjection dun courant frquence variable au rotor (Figure 1.6). Rotor Gearbox WRIG Frequency converter Utility grid or Electric load ~ ~ Figure 1.6. Systme avec DFIG pour lopration vitesse variable Les points forts du DFIG sont :a)Sa capacit de commander la puissance ractive et, de cette faon, de dcoupler la commande des puissances active et ractive. b)Ilpeutsemagntiserpartirdurotorsansprleveraurseaulapuissance ractive ncessaire.c)Ilestcapabledchangerdelapuissanceractiveaveclerseaupourfairela commande de tension.d)Latailleduconvertisseurnestpassimplementenrapportaveclapuissance totaledugnrateur,maisaussiaveclagammedevitessechoisie.Enfait,le cot du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 25 synchronisme. Son inconvnient rside dans la prsence obligatoire de bagues et balais. 1.4.2Gnrateur Synchrone (SG) LavantagedugnrateursynchronesurlIGestlabsencedecourantractifde magntisation. Le champ magntique du SG peut tre obtenu par des aimants ou par un bobinagedexcitationconventionnel.Silegnrateurpossdeunnombresuffisantde ples,ilpeut sutiliserpourlesapplicationsdentranementdirect(direct-drive)quine ncessitentpasdeboitedevitesses(gearless).LeSGesttoutefoismieuxadaptla connexionindirecteaurseaudepuissancetraversunconvertisseurstatique(Figure 1.7),lequelpermetunfonctionnementvitessevariable.Pourdesunitsdepetites tailles, legnrateur aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coteux. Au-delde20kW(environ),legnrateursynchroneestpluscoteuxetcomplexe quun gnrateur asynchrone de taille quivalente (Ackermann, 2005). Rotor Gearbox PMSG / WRSG Frequency converter Utility grid or Electric load ~ ~ Figure 1.7. Systme avec gnrateur synchrone pour un fonctionnement vitesse variable 1.4.2.1Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG) LaconnexiondirecteaurseaudepuissanceimpliquequeleGStournevitesse constante,laquelleestfixeparlafrquencedurseauetlenombredeplesdela machine.Lexcitation est fournie par le systme de bagues et balais ou par un systme 26 Contribution lOptimisation dun Systme de brushlessavecunredresseurtournant.Lamiseenuvredunconvertisseurdansun systme multipolaire sans engrenages permet un entranement direct vitesse variable. Toutefois,cettesolutionimpliquelutilisationdungnrateursurdimensionnetdun convertisseur de puissance dimensionn pour la puissance totale du systme. 1.4.2.2Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG) La caractristique dauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur depuissancelevetunbonrendement,cequilerendpropicelapplicationdes systmesdegnrationolienne(Ackermann,2005).Enfait,danslacatgoriedes petitesturbines,soncotrduitetsasimplicitenfontlegnrateurleplusemploy. Cependant,danslesapplicationsdeplusgrandepuissance,lesaimantsetle convertisseur(lequeldoitfairetransitertoutelapuissancegnre),enfontlemoins comptitif. 1.4.3Autres Gnrateurs Les oliennes raccordes au rseau de puissance ncessitent un transformateur lvateur pouradapterlatensiondelamachinecelledurseau.Enconsquence,lamiseen uvredegnrateurs hautetension estunesolutionencoursdvaluation.Cela permettrait,enconsquence,dediminuerlespertespareffetjouledusystmeen liminantletransformateur.Cestaussiauniveaudelonduleurquecelapeut-tre intressant avec des IGBT haute tension. Dans cette optique, les machines synchrones et induction sont des options intressantes pour des turbines oliennes de plus de 3 MW. Cependant,leurcotlev,desproblmesdescuritetdeduredevielimitentleur commercialisation (Ackermann, 2005). Les caractristiques du gnrateur rluctance commute (SRG) sont la robustesse, une structuresimple,unrendementlev,descotsrduitsetlapossibilitdefonctionner sansboitedengrenages(Ackermann,2005).Toutefois,sonadaptationauxturbines oliennesnapasttudieendtail.Lesinconvnientsconsistentenunedensitde Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 27 puissanceetunrendementinfrieursceuxduPMSG.Deplus,ilncessiteun convertisseur dimensionn pour toute la puissance gnre. Lutilisationdugnrateurfluxtransversal(TFG)estaussiltude.Ilsagitdune optionintressante,encorepeuvoquepouruneapplicationauxsystmesde gnrationolienne.Cegnrateurautoriseunnombredepleslevpourune applicationgearless.Cependant,lenombredecomposantsncessairesetune technologie encore ses dbuts en limitent son application (Ackermann, 2005). 1.4.4Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes Troistypesdemachineslectriquesseretrouventprincipalementdansuneoliennede petitetaille( 10000Grands systmes interconnectsGrand systme de puissance Unmicrosystmeutilisetypiquementunepetiteturbineolienneavecunecapacitde moins de 1 kW. Unsystmepourunvillageagnralementunecapacitentre1kWet100kW,avec une ou plusieurs turbines oliennes de lordre de 1 50 kW. Unsystmedepuissanceinsulaireestnormalementde100kWjusqu10MWde puissance installe et ses oliennes sont dans la gamme des 100 kW 1 MW. Un grand systme de puissance interconnect est normalement plus grand que 10 MW, avecplusieursgrandesturbinesoliennesdeplusde500kWinstallessousformede centrales dnergie olienne ou de fermes oliennes. Les niveaux thoriques de pntration moyens du vent proposs par Ackermann (2005) pourlessystmesdutableau1.1sonttracssousformedeboitesennuancesdegris danslaFigure1.10.Cesvaleurssontordonnesenfonctiondelacapacittotale installedusystme.Seloncetauteur,lesvaleursdepntrationduventpourun microsystme devraient tre suprieures 90 %de la gnration totale et entre 60% et 38 Contribution lOptimisation dun Systme de 100% pour le systmealimentant un village. Pour un systme isol de forte puissance, leniveaudepntrationduventnauraitpasdelimites(niinfrieurenisuprieure) mais, pour un grand systme interconnect (> 10 MW), la valeur maximale propose est de lordre de 65%. 100 80 60 40 20 Pntration du vent (%) Puissance installe du systme 10 100 1 kW10 kW100 kW1MW10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW Micro systme Systme de puissance de village Systme de puissance insulaireGrand systme interconnect Ile de Frya Ile de Foula Ile de Rathlin Cape Clear Masabit La Dsirade Dachen Denham Sal Mindelo Danemark (2030) Danemark (1998) Aujourdhui Futur Figure 1.10. Dveloppement prsent et futur de la pntration du vent vs. la capacit installe [Source : Ackermann, 2005] Pour les systmes de grande puissance, la situation existant au Danemark en 1998 et une projectionpourlanne2030sontutilisestitrederfrence.Lacourbeentirets montre la situation actuelle correspondant des systmes rels en fonctionnement. Elle indiquequeleniveaudepntrationdelnergieoliennedanslessystmesde puissance rels diminue avec laugmentation de la capacit du systme de puissance. Lacourbepointilleindiquelepotentieldedveloppementfuturversdesniveauxde pntrationoliensplusimportants,envisageablespourles20ou30ansvenir.Lle deFroya,estunlieuderecherchenorvgienprsentantuntauxdepntrationmoyen duventdelordrede95%.Ilsertderfrencepourplacerlacourbedufuturpourles systmes de puissance. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 39 Lafaisabilitthoriqueduntauxdepntrationtrslevdnergieoliennechange radicalement dans la gamme des systmes de 100 kW 10 MW. Dans cette gamme, la gnrationdlectricitconventionnelleestbasesurlagnrationdieseldontlecot nergtiqueestpluslevquaveclescentralesclassiques.Lesraisonsprincipalesdes faiblesniveauxdepntrationdanslesplusgrandssystmessontalorsprincipalement conomiques, mme si actuellement le cot de production de lnergie olienne est un niveauquivalentceluidelaplupartdessourcesconventionnelles.Pournimporte quelleconfigurationdonne,ilyauntauxdepntrationolienlimite,audessus duquelleretourconomiquedunajoutdnergieoliennecommencediminuer.En complment, les managers des grands systmes doivent adopter une approche prudente cause des fortes fluctuations de lnergie olienne qui demande une nergie de rserve pour compenser. Comme lindique la ligne pointille la Figure 1.10, un niveau de pntration olienne beaucoup plus important est nanmoins prvu dans lavenir. Ainsi, le dfi des systmes nationaux(etinternationaux)seradaugmenterlapntrationoliennedesniveaux actuellementobservspourlessystmespluspetitsetisols.Ungrandsoindoittre prisdansleprocessusdintroductiondelnergieoliennedanslessystmesisolsde puissanceleve,carleschecsobtenusdanslepasssontnombreuxcausede conceptionsambitieuses,comportantunhautdegrdecomplexit,associune expriencetrslimitedansdveloppementdecetypedeprojets.Lapproche recommande est donc une augmentation progressive, partant de la courbe en tirets de la Figure 1.12 pour se dplacer vers la ligne pointille par une approche point par point en appliquant des concepts simples, robustes, fiables et bien valus. 1.6.1.4Systmes et Exprience Pour accompagner le dveloppement rapide de la technologie des turbines oliennes, les diffrentesconfigurationsreprennentdesconceptsantrieursetsontpluttbien connues. Une grande varit de concepts et dapplications rend nanmoins ltat de lart des systmes oliens de puissance plus difficile valuer. 40 Contribution lOptimisation dun Systme de Letableau1.2montreunrsumdesplusgrandssystmesdepuissancehybrides installs dans le monde au cours de la dernire dcennie. Tous ces systmes produisent de llectricit pour leurs communauts, cependant la plupart dentre eux sont installs danslecadredeprojetsdedmonstrationoudevalidationavecuncertaindegrde cofinancementpublic.Dautressystmesonttinstallsdslamoitidesannes80 parquelqueslaboratoiresderecherchedAmriqueduNordetdEurope(Ackermann, 2005). Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de kW la centaine de kW. Tableau1.2.Listeduneslectiondesystmesdepuissancehybridesinstallsdansle monde pendant la dernire dizaine dannes (Ackermann, 2006) SitePays ou regionPriode dvaluation Puissance Diesel (kW) Puissance olienne (kW) Caractristiques Pntration du vent (%) WalesAlaska1995-2003411130Chauffage, Stockage 70 St. PaulAlaska1999300225Chauffage Alto BagualesChili2001130001980Gn. Hydraulique 16 DenhamAustralie2000197069050 SalCape Vert1994-20012820600Dsalinisation14 MindeloCape Vert1994-200111200900Dsalinisation14 Ile de Dachen China1989-20011044018515 FuerteventuraIles Canaries1992-2001150225Dsalinisation, glace Ile de FoulaIles Shetland1990-20012830Chauffage,Gn. Hydraulique 70 La DsiradeGuadeloupe1993-200188014440a MarsabitKenya1988-200130015046 Cape ClearIrlande1987-19907260Stockage70a Ile de RathlinIrlande du Nord 1992-200126099Stockage70 Ile de Kythnos Grce 1995-20012774315Stockage,gn. Photovoltaque Ile de FryaNorvge1992-19965055Stockage94 Ile de LemnosGrce1994-104001140 a : valeur pic 1.6.1.5Exprience sur les Systmes de Puissance Hybrides Plusdunequinzainede systmesdepuissancediesel-oliensfonctionnentaujourdhui dans le monde (Ackermann, 2005). Le Tableau 1.2 donne un rsum de ces projets. Le retourdexpriencedequelquesunsdecesprojetsmontrelesdiffrentesoptionspour Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 41 associerlutilisationdelatechnologiedieselavecdautressourcesrenouvelables, particulirement lolien. Ces systmes montrent aussi lapplication de ces installations dans des emplacements trs loigns, sans accs ais une infrastructure dveloppe ni une assistance technique volue. Wales, Alaska: Un Systme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Pntration La charge lectrique moyenne pour cette communaut est denviron 70 kW. Le systme de puissance hybride diesel-olien plac Wales, en Alaska, a commenc fonctionner en mars 2002. Il combine des gnrateurs diesel dune puissance totale de 411 kW, deux turbinesoliennesde65kWetungroupedebatteriesde130Ah,unconvertisseurde puissancetournantetdautrescomposantsdecommande.Lebutinitialdusystmeest desatisfairelademandelectriqueduvillageavecunequalitdellectricitleve, toutenminimisantlaconsommationdegas-oiletletempsdefonctionnementdes moteurs diesel. Le systme fournit aussi lnergie olienne en excs plusieurs charges thermiques dans le village, conomisant ainsi encore plus de carburant. Lesestimationsindiquentquelesoliennesfournissentdelectricitavecune pntrationmoyennedapproximativement70%,conomisantdecettefaon45%de laconsommationdecarburant,toutenrduisantletempsdefonctionnementdes moteurs diesel de 25%. AltoBaguales,Chile:UnSystmedePuissanceDiesel-Eolien-Hydraulique Coyhaique LesystmefournitdelnergielacapitalergionaleCoyhaique,ausudduChili, produisantunepuissancemaximalede13.75MW.Alautomne2001,troisturbines oliennesde660kWonttinstallesencomplmentlaproductiondieselet hydraulique dj existante. Il est prvu que le projet dnergie olienne Alto Baguales pourra fournir plus de 16 % du besoin local en nergie lectrique et conomiser environ 600000 litres de gas-oil par an. Les turbines sont commandes distance depuis le local des gnrateurs diesel et fonctionnent un facteur de charge proche de 50 % cause des vents forts sur le site. 42 Contribution lOptimisation dun Systme de Jusqu'prsent,lapntrationlaplushauteenregistreatteint22%delademande totale.Apartirdelt2003,ilestprvudinstallerdelacapacithydraulique complmentairepourquelesystmepuissefournirtoutelachargeaveclagnration olienne et lhydro-lectricit, liminant compltement la production diesel. Cap Vert: Les Trois Plus Grands Systmes de Puissance NationauxLarchipel de la Rpublique de Cap Vert est constitu de 10 les principales proximit delacteoccidentaledelAfrique.Depuislesannes1990,troissystmesdieseloliens fournissent de manire trs satisfaisante de la puissance lectrique pour les trois communauts principales de Cap Vert : Sel, Mindelo et Praia. Trois turbines oliennes de300kWdanschaquesitesontconnectesaurseaudedistributiondieselexistant. Leschargesmoyennespourlescommunautsvarientde1.15MWpourlepluspetit, Sel, 4.5 MW pour le plus grand, situ Praia, la capitale nationale. Cessystmesdepuissancefonctionnentdestauxmensuelsdepntrationoliens denviron25%,selonlesystmeetlasaison.Lespntrationsannuellesmontant jusqu14%pourleSeletMindeloonttobtenues.Unepntrationolienne mensuellemaximalede35%atatteintedansleSel,sansimpactdfavorablesurle systme. L'exprience acquise de ces trois sites oliens a t juge positivement et cela a aboutiaudmarragedunedeuximephase,aveclaquellelapntrationoliennedes troissystmesdepuissanceserapresquedouble.Cesextensionsaurontpour consquencedaugmenterlapntrationoliennedesniveauxde30%(Mindelo). Une rduction complmentaire de 25 % de la consommation moyenne annuelle de gas-oil est escompte. Australie: Station de Puissance Wind-Diesel DenhamLacentralelectriquediesel-oliennedeDenhamestplacesurlacteoccidentalede lAustralie,aunorddePerth,lacapitalergionale.Lesystmedepuissanceaune demandemaximalede1200kW,quipeuttrefourniepar690kWoliens(trois turbines de 230 kW), et quatre moteurs diesel dune puissance totale de 1720 kW, plus underniermoteurpourlescasdechargetrsfaible.Linstallationaunventailde chargede+250kWet-100kW.Lesystmedepuissanceestcommandpartirdun Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 43 centredecommandeplacdanslacentralelectriqueetquipermetlefonctionnement entirement automatis avec une surveillance technique minimale. Lesystmedecommandepermetlamisehorsdefonctionnementdesmoteursdiesels, aboutissantalorsunepntrationmoyennede50%.Lesystmedepuissance fonctionnedepuisplusdetroisans,alimentantlerseauaveclaqualitadquateet permettant des conomies denviron 270000 litres de carburant par an. 1.6.2Systmes Eoliens Connects des Grands Rseaux Plusde95%delacapacitmondialednergieolienneestraccordedesgrands rseauxdepuissance(Hau,2006).Cecisexpliqueparlesnombreuxavantagesdu fonctionnement des centrales oliennes sur les rseaux :a)Lapuissancedesturbinesoliennesnedoitpastrencessairement commande en fonction de la demande instantane dun client spcifique,b)Lemanquedepuissancedlivreparlesoliennesestcompensparles centrales conventionnelles,c) La frquence du rseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut tre utilise pour la commande de la vitesse des oliennes.Ainsi,lefonctionnementdesturbinesoliennesconnectesauxrseauxest techniquement moins complexe que son application individuelle isole. 1.6.2.1Systmes Distribus Loprationduneouquelquesturbinesoliennespardesclientsprivsouindustriels est le premier champ dapplication des oliennes qui est arriv un statut commercial. Premirement au Danemark, o la lgislation, les subventions pour la gnration partir desourcesrenouvelablessurtoutolienneetlexpriencetechniquedansla constructionetlefonctionnementdoliennesontrenducedveloppementpossible partirde1978.Dslesannes90,leprogrssignificatifdesturbinesoliennesen 44 Contribution lOptimisation dun Systme de Allemagneestaussiddesloisquiencouragentlaproductiondnergiepardes moyens renouvelables (Hau, 2006). Linstallationdistribuedeturbinesoliennesestfaitepresqueexclusivementen connexionaurseaudepuissancedesentrepriseslectriques.Laconsommationdu client est enregistre par un compteur normal et la puissance produite par lolienne est injecte au rseau public et comptabilise travers un autre compteur. La facturation est faite sparment, selon la consommation et la production dnergie. 1.6.2.2Parcs Eoliens Mmeenprenantencomptelesplusgrandesturbinesoliennesactuelles,dune puissance nominale de quelques mgawatts, la puissance dlivre par une seule turbine reste une quantit petite par rapport celle dune centrale conventionnelle. Dautre part, danslamajoritdespays,leszonesproposantdesvitessesdeventtechniquement utilisablessontrestreintesquelquesrgionsseulement.Cecicrelancessit dassemblerdansceslieuxautantdoliennesquepossible,indpendammentdela demande nergtique locale. De cette faon apparaissent les parcs ou fermes oliennes, quiconsistentenuneconcentrationdenombreusesoliennesengroupesspatialement organissetinterconnects.Cegroupementoffredenombreuxavantagestechniques. Deplus,dunpointdevueconomique,ilestplusintressantentermesdecot dinstallationetderaccordementaurseau,cardelongueslignesdinterconnexionau rseausontjustifiesuniquementpourunnombrerelativementlevdeturbines oliennes. Entrelesannes1982et1985,lespremiersgrandsensemblesdoliennesontt installs en Californie, avec de petites units lmentaires dont la puissance varie entre 20et100kW.EnAllemagne,lutilisationdelnergieoliennesestbasedsle commencementsurlinstallationdegrandesturbinesoliennesennombreimportant. Lesparcsoliensdeplusieursmgawattsformentdjunepartiedelamatrice nergtique de nombreux pays (Hau, 2006). Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 45 Parcs Marins (Off-Shore) Ilestprvuquedurantlaprochainedcennie,unepartrelativede25%delanouvelle capacitdeproductionlectriqueseradorigineolienne(ChenandBlaabjerg,2006). Cependant,ilsavredlicatdetrouverdesendroitspourinstallerdesgrandesfermes oliennesdanslesrgionsdveloppes.Ledveloppementdesystmesolienssurla mer(off-shore)vitelesconflitsgnrsproposdesemplacementsenterre.Cette solutionprsenteaussilavantagedecompteravec desventsplusconsistantsetmoins turbulents, ce qui engendre une production plus importante avec des efforts mcaniques depointeplusfaiblesdanslesturbines.Lesprogrsdelatechnologierendentcette optiondeplusenplusintressante.Lesconditionsactuellesncessairespour linstallation dune ferme olienne sont, selon Chen and Blaabjerg (2006) :a)Hauteur modre des vagues,b)Eaux peu profondes,c)Un vent moyen de quelques 7 m/s. LeDanemarkestpionnierdansledveloppementetlinstallationdecetypede technologie,construisanten1991lapremirefermeoffshoreVindeby.Ceparcest composde11turbinesoliennesde450kWchacune.Lesdeuxplusgrandsparcs oliensaujourdhuisontaussidanois,celuideHornsRev,entrenfonctionnementen 2002 et celui de Nysted, en 2003. Les capacits installes sont de 160 MW Horns Rev (80unitsde2MW)etde162.5MWNysted(72unitsde2.5MW).Cesniveaux signifient approximativement quelques 600 MWh denergie par an produits par chaque parc (Chen and Blaabjerg, 2006). Dautresgrandsprojetsdecetypesontendveloppement.LEuropeesprearriver installer10000MWdecettefaondansles5annesvenir.LAllemagneprojette elle seule de construire 3500 MW dici 2010. LIrlande a dj donn le feu vert pour la constructiondunparcde520MWavec200oliennesdanslamerirlandaise.Deleur ct,lesEtats-Unisplanifientlinstallationdeleurpremirefermeoff-shorede420 MWet130unitssurunesurfacede65kmdansleMassachussetts,defaonde produire 170 MW en moyenne, ce qui implique une rduction de 3 millions de barils de ptrole en moins importer (Chen and Blaabjerg, 2006). 46 Contribution lOptimisation dun Systme de 1.7Tendances En plus de linstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore plusgrandes,desprojetsderechercheportantsurtouslesdiffrentsaspectsdela technologieoliennecommencentvoirlejour.Cecidonnedelespoirau dveloppementdenouvellesconceptionspourfairedecettefilireunoutilde production encore plus prsent et comptitif sur le march nergtique. 1.7.1Systme Mcanique Denouvellessortesdengrenages,commelesboitesdevitessesplantairesplusieurs tages(multi-stageplanetarygearbox)ettageshlicodaux(helicalstages)sonten dveloppement. Avec ces progrs, les systmes devraient amliorer leurs rendements et lapuissancemcaniquercupre.Desvaleursdecoupleetdevitessederotation suprieuressontsynonymesdunemeilleureconversionlectromcaniquedansles gnrateurs fonctionnant haute vitesse. Laconceptionetlafabricationdespalespourincluredesmatriauxlgerscommela fibredecarboneetdescompositeshybridesdecarbone/verresontaussilobjetde programmesderecherche.Bienqutantpluscoteusequelafibredeverreutilise couramment, la fibre de carbone est beaucoup plus rsistante et plus lgre. Les tours dacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont dj courantes et permettent lemploi de nouvelles mthodes de production de ces mts pour oliennes de faon rduire les cots de fabrication et de transport. Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 47 1.7.2Systme Electrique Denouveauxgnrateurs,enconfigurationsmultipolaires,machineshautetension, rluctance commute, flux axial et transversal sont en dveloppement pour rduire la masse et amliorer le rendement du gnrateur. Pourrduirelescotsetaugmenterlerendementdessystmesoliens,denouvelles amliorationsdelaconversiondnergieemployantdescomposantslectroniquesde puissancesontencours.Danscecontexte,denouveauxdispositifslectroniquesde puissance sont len tude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon carbide).Cedernieralavantagedetravaillerhautetensionetdesupporterdes tempraturesleves.Cettetechnologiepermettraitderduirelatailledes convertisseurs de puissance et de les faire plus comptitifs. Lutilisation de composants demoyennetensionpourdiminuerlecotdessystmesdeconversiondesgrandes turbinesoliennes.Actuellement,diversestopologiesdeconvertisseursstatiquesde plusieursmgawattssontaussiendveloppementpourfourniruneconversionde puissance conomiquement efficiente, avec une haute fiabilit et une qualit leve. 1.7.3Intgration de lEnergie Eolienne et Nouvelles Applications Des aspects comme la prvision de la vitesse du vent et, en consquence, lestimation de laquantitdepuissanceapporteparlesfermesoliennespermettradefaireune prdiction plus juste de la valeur de llectricit produite. Ceci aidera la planification, la programmation et la coordination entre la gnration et la demande du systme et, aura ainsi des effets bnfiques sur des contrats de fourniture dnergie. Des actions au niveaudelamliorationdesprcisionsdesmodlespeuventassurerlesuccsdeces progrs pour obtenir le maximum de profit risque minimal. Lacroissancerapidedelapntrationoliennedanslesrseauxdepuissanceprsente aussiunnouveaudfipourlesoprateursdesgrandssystmeslectriques.La productiondesparcsoliensvarieenpermanenceavecletemps,maislerseaudoit maintenirunquilibreconstantentrelaproductionetlademande.Denombreuses 48 Contribution lOptimisation dun Systme de tudessontmenespourconnatreleseffetsdecettenergiestochastiquesurla rgulationetlastabilitdesrseaux.Lebutestalorsdinformerlesoprateursetles planificateursdesrseauxpourleurfaireconnatrelerelimpactassocicette augmentation de la prsence de lnergie olienne. Pour fournir de lnergie cot marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un rseau avec de la production olienne, un moyen est de combiner cette production avec delnergiehydraulique.Danscecas,dimportantesrecherchesconcernantla gnration, le transport et lconomie de ces systmes associs sont en cours. Enplusdesapplicationsenchauffageetpompagedjenutilisation,lexplorationde nouveauxmarchscommelessystmesdedsalinisation,laproductiondhydrogne, etc.,permettradouvrirdenouvellesopportunitsdusagedelnergieproprecot faible dans plusieurs secteurs, des systmes hydrauliques jusquaux transports. 1.8Conclusion Dans ce chapitre, un bilan des principales formes dnergies disponibles dans le monde atprsent.Larelationentrelutilisationdelnergieetlesproblmes environnementaux induits a aussi t expose. Lvolution de lindustrie lectrique vers unmarchconcurrentielouvertetsesconsquencespotentiellesonttabordes brivement.Lescaractristiquesconomiquesetenvironnementalesdesformes dnergie renouvelable les plus utilises prsent et la technologie olienne actuelle ont t galement montres. Les diffrents types de gnrateurs lectriques utiliss dans les turbinesoliennesetlesprincipalesapplicationsdesoliennes,avecunsegment spcialementconsacrauxsystmesisols,ontaussitprsents.Limportancede lemploiduneboitedevitessesetdessystmesdestockagedanslessystmesde gnration oliens a tdmontre. Finalement, les dernires tendances et perspectives de dveloppement de lolien ont t galement prsentes. 2Optimisation dun Systme de Conversion Eolien Nomenclature PtPuissance mcanique de la turbine olienne (W) ASurface de balayage des pales de lolienne (m)RRadius des pales de la turbine olienne (m) CpCoefficient de puissance de lolienne () Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) () Vitesse de rotation de lolienne (tr/mn) vVitesse du vent [m/s] MRapport de transmission de la boite de vitesses ()PmPuissance lectrique du gnrateur (W) eForce lectromotrice du gnrateur (V) usTension aux bornes du gnrateur (V)isCourant alternatif de stator du gnrateur (A) GVitesse de rotation du gnrateur (tr/mn) Pulsation (frquence) lectrique du gnrateur (rad/s)rFlux induit pars les aimants du gnrateur (Wb) pNombre de paires de ples du gnrateur () ZsImpdance du gnrateur () Rs Rsistance du bobinage de stator du gnrateur () LsInductance de fuite du bobinage de stator du gnrateur (H) GCoefficient de Gain de la fonction du Cp () 0 maximal de la fonction du Cp () aCoefficient de la fonction du Cp () 50 Contribution lOptimisation d'un Systme de 2.1Introduction Lnergieolienneestaujourdhuilasourcerenouvelablenonconventionnellelaplus comptitive et qui a le taux de croissance le plus lev (World Energy Council, 2004), (Mathew,2006).Ellereprsentedjunedesformesdnergierenouvelablelesplus importantespourlaproductiondnergielectrique(WEC,2004).Laquantit dlectricitproduitedanslemondesoitparlesgrandesfermesoliennessoitpardes petits systmes de conversion dnergie olienne est en croissance constante. Lapplication la plus courante des petits systmes oliens individuels est de les installer dansdesendroitsisols oudansdeslieuxolerseaupublicdlectricitnarrivepas (Mathew,2006 ;Hau,2006)dufaitduneextensiondurseautropchreetpour lesquelslamnagementdesystmesdieselnestpasjustifiauniveauconomique et/ou environnemental. Dans ce chapitre, un systme sans commande lectronique est prsent et optimis pour fournir la plus grande quantit de puissance possible. Ceci permet dobtenir un systme performantavectrspeudecomposants,cequiestunautreavantagepourles emplacements loigns. 2.2Systme de Gnration Eolien Sans Electronique de Commande Lorsdelutilisationdesystmesdegnrationoliens,lasimplicitdusystmede production permet de diminuer les cots de maintenance et daugmenter la fiabilit. Le systmetudiiciestcomposdunepetiteturbineolienneaxehorizontal,dune boitedengrenagesuntage,dungnrateursynchroneaimantspermanents,dun pont de diodes et dun groupe de batteries. Chapitre 2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien 51 Gnralement,lesstructuresfonctionnantvitessevariableetcommandes lectroniquementpermettentdemaximiserlaquantitdnergieproduiteparles systmesdeconversiondnergieolienne(WECS,deWindEnergyConversion System)(DeBroeet.al.,1999),(BorowyetSalameh,1997).Cessystmessont complexes,chersetontbesoindtagesdeconversionlectriquecomplmentaires associs des structures de commande particulirement adaptes. Danscettepartie,laconceptiondunsystmesimpledeconversionolienbassur lutilisationdunnombreminimumdecomposantsestoptimise.Cesystmesera utilis pour des applications individuelles. A partir du modle du systme, les quations delapuissancemcaniqueetdelapuissancelectriquedugnrateursontobtenues. Cesexpressionssontdpendantesdesdiffrentsparamtresetvariablesdusystmede gnration. La puissance lectrique dlivre la charge est dpendante de la vitesse de rotationdusystmeenrgimepermanent.Danscesystmetensioncontinuefixe,la vitessederotationpourchaquevitessedeventdpenddequelquesparamtresde conception du systme comme le rapport de transformation de la boite dengrenages et la tension aux bornes de la batterie. Lobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue partirdusystmepropos.Leproblmeestrsoluencherchantlacombinaison optimale du rapport de la boite et la tension de batterie. Lemodlestatiquedusystmeestdcritdansunepremirepartie.Leproblme doptimisationestensuiteprsentetlamthodedersolutionexpose.Lesrsultats sont rsums et discuts la fin de cette section. 2.2.1Modle du Systme Lesystmetudiestprsentlafigure2.1.Ilestcomposduneturbineolienne axe horizontal tripale qui prend lnergie de la masse dair en mouvement, dune boite de vitesses lvatrice qui adapte les vitesses de rotation de lolienne et du gnrateur, dunemachinesynchroneaimantspermanentspourlaconversionlectromcanique, dun pont diodes qui fait la conversion lectrique AC/DC et dun groupe de batteries pour le stockage dnergie. La charge est suppose consommer toute lnergie produite. 52 Contribution lOptimisation d'un Systme de G v M HAWTGearboxPMSM Diode bridge DC bus Battery bank Figure 2.1. Systme olien individuel avec stockage dnergie. 2.2.1.1Systme Mcanique LapuissancemcaniquePtquuneturbineoliennepeutextrairedunemassedair traversant la surface balaye par son rotor est : 3) (21v C A Pp t = (2.1) est la densit de lair (Kg/m3), A est la surface balaye par de rotor de lolienne (m), vestlavitesseduventetCpestlecoefficientdepuissancedelaturbine.Cedernier dpend du rapport de vitesses (ou TSR, tip speed ratio) (Mathew, 2006 ; Hau, 2006), et il est caractris par les proprits de la turbine olienne (axe horizontal ou vertical, nombre et forme des pales, etc.) TSR vR = = (2.2) La caractristique non linaire du coefficient de puissance Cp peut sapproximer soit par une fonction polynomiale (Borowy et Salameh, 1997), soit par une fonction rationnelle (KariniotakisetStravrakakis,1995).Laformerationnelleproposedanslquation (2.3)alavantagedemontrerdefaonexplicitedesinformationstellesqueleTSR maximalpourunCppositif,0etlavaleurapproximativeduTSRoptimalpourCp maximal*(0a).Unesimplergressiondemoindrescarrspeutsutiliserpour ajuster les coefficients G et a. (Voir annexe C). Chapitre 2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien 53 2020) () () ( + aGCp (2.3) Pouradapterlavitessederotationrelativementlentedelaturbineoliennecelledu gnrateur, une boite dengrenage (boite de vitesses) peut sutiliser. Pour des raisons de simplicit,lquation(2.4)estutilisecommemodledecesystmedetransmission mcanique dans laquelle M reprsente le rapport de transformation (ou transmission) de la boite, est la vitesse de rotation de larbre lent de la turbine olienne et G celle de la machine lectrique (arbre rapide). = MG (2.4) La vitesse de rotation de larbre du gnrateur et la vitesse du champ lectromagntique (frquenceoupulsationlectrique)sontliesparunerelationfaisantintervenirle nombredepairesdeplesdelamachinep(=pG).Lapuissancemcaniquede loliennepeutalorssexprimerenfonctiondurapportdetransmissionM,dela pulsation lectrique et de la vitesse du vent v : ( )32020) () (2vR v M p v M p aR v M p G R APt + = (2.5) Si on souhaite faire intervenir la vitesse derotation de la turbine , (2.5) permetaussi dcrire la relation suivante : ( )32020) () (2vR v v aR v G R APt + = (2.6) 54 Contribution lOptimisation d'un Systme de 2.2.1.2Systme Electrique Gnrateur aimants permanents Legnrateurestunemachinesynchroneaimantspermanentsquiestmodlise simplementparunesourcedetensionavecuneimpdanceensrie.Lecircuit quivalentetlediagrammedeBehn-Eschenburgsontmontrslafigure2.2.Les composantesfondamentalespourlatensionusetlecourantissontsupposesenphase car la charge est un simple redresseur diodes (figure 2.3). e + LS uS + iS RS iS uS e ZS iSXL iS RS iS Figure 2.2. Schma quivalent du gnrateur synchrone et diagramme de Behn-Eschenburg associ. Les relations dcoulant de ce modle simplifi de la machine sont les suivantes : =re == =rreE222 2 = p G, G = M , =rM p E 22 (2.7) E :valeurefficacedelacomposantefondamentaledetensioninduitepar les aimants dans le bobinage du stator de la machine (f.e.m.) r : flux crte reu par une bobine du stator venant des aimants Chapitre 2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien 55 :vitessederotationduchampmagntique(pulsationlectrique ; = 2 f) p : nombre de paires de ples de la machine G : vitesse de rotation de larbre du gnrateur ( = p G) : vitesse de rotation de larbre de la turbine (G = M ) M : rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou lvatrice) + LSiSa uSa + + 135 462 ea Ubatt + a b c Figure 2.3. Schma quivalent de la machine connect au redresseur et la batterie. Redresseur triphas diodesLa relation entre les tensions des cots AC et DC du circuit lectrique de puissance peut se mettre sous la forme : DC ac SU G u = (2.8) usestlavaleurcrtedelatensionfondamentalephase-neutrelentreduredresseur (aux bornes de la machine)UDC est la tension batterie (Ubatt) Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs. Enraisonducomportementinductifdelamachine,ilestsupposquelecourant alternatifprsente une forme sinusodale, on peut alors montrer que la forme donde de 56 Contribution lOptimisation d'un Systme de la tension aux bornes de la machine est constitue en paliers. La figure suivante montre lesformesdondeducourantdelaphasea,indiquelesdiodesenconductionpour chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre. 14 636 525 +U+U UUuab +U+U U Uubc +U 2U U U3 uSa +U 2Uia ib ic Figure 2.4. Allure du courant dans la phase a, diodes en conduction, tensions entre phases uab et ubc, tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC = Ubatt). Pendantlademi-priodepositiveducourantalternatifdanslaphasea,ladiode1du redresseur (figure 2.3) entre en conduction ; durant la demi-priode ngative, la diode 4 conduit le courant. Ainsi, selon ltat de conduction des diodes du redresseur, la tension delabatterieUseretrouveentantquetensionentrelignesducotACdusystme (formesdondeuabetubcdelafigure2.4).Ensupposantquelesystmeestquilibr, comme dans le castudi ici, et connaissant les tensions de ligne uab et ubc, les tensions entre simples sont obtenues par : Chapitre 2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien 57 ((((

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0 1 2 11 1 11 1 231bcabcbauuuuu(2.9) Connaissant lallure de la tension ua, une analyse des composantes de Fourier permet de connatre la valeur du gain de tension antrieurement dfini en (2.8). 2=acG (2.10) PourconnatremaintenantlecourantcontinuIDC,onsaitqueleredresseurdiodesa descourantspratiquementenphaseaveclestensionsdentre(facteurdedplacement cos() quasiment unitaire). Donc, partir dune relation nergtique et en ngligeant les pertes dans les diodes, on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge de la batterie en fonction de la valeur crte du courant de la machine avec is : s ac DCi G I =23(2.11) Interaction Machine Aimants Permanents Redresseur diodes Une fois connues les tensions e et us, il reste connatre la valeur du courant de ligne. Pour cela, le diagramme de Behn-Eschenburg du modle simplifi de la machine (figure 2.2) permet dobtenir lquation vectorielle (2.12) : s s si Z u e + = (2.12) Une faon de rsoudre cette quation est de la dcomposer (projection des vecteurs sur les axes), Ainsi, le systme dquations suivant est obtenu : =S Ls S SSi X eu i R ei Fsincos) , ( (2.13) 58 Contribution lOptimisation d'un Systme de Grcequelquesoprationsalgbriquessurlesystmeprcdent,ilestpossible daboutiruneseuleexpressionduneseulevariable,lecourantdelamachineis.Sil sagit dun polynme de second degr ; ce polynme et ses solutions sont : ( ) ( ) ( )2 2 2 2 22 e u i u R i X RS S S S S L S + + + ( )( )2 22 2 2 2 2 22 , 1L SS L S S S S SSX Ru e X R u R u Ri+ + + = Avec la convention impose, la valeur de la solution qui nous intresse correspond celle qui est positive. ( )( ) [ ]S S S L S S SL SSu R u e X R u RX Ri + + +=2 2 2 2 2 22 21 (2.14) Cetteexpressionnestvalablequpartirdumomentolesvaleursdelaforce lectromotrice e deviennent suprieures la tension du rseau alternatif us. La valeur de la puissance dlivre par la machine peut alors sexprimer en fonction des valeurs efficaces ou des valeurs maximales : = MG S S S S mi u I U P = =233 (2.15) Le remplacement de lexpression du courant (2.14), permet dcrire pour la puissance : ( ) [ ]S S S L SL SSmu R u e X e RX RuP + + =2 2 2 2 22 223 (2.16) Danscettequation,ilyadeuxgrandeursquisontdpendantesdelafrquence :la tensioninduiteeetlaractancedelamachineXL.Alors,enlesremplaantparleurs expressionsdansledomainefrquentielrgimesinusodal,XL=LSete= r,on Chapitre 2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien 59 obtient une expression de la puissance de la machine dfinie par les paramtres RS et LS, etparlatensiondebatterieusquiestunegrandeurfixedanscecas.Laseulevariable dans lquation est la frquence ou pulsation lectrique : ( ) ||

\| + + =S S S r S r SS SSmu R u L RL RuP2 2 2 2 2 22 2 223 (2.17) Cette expression peut scrire aussi de la manire suivante, en fonction de la vitesse de rotationdelolienneaulieudecelledugnrateurentenantcomptedunombrede paires de ples de la machine et du multiplicateur de vitesse du systme (2.18) : ( )( ) ( ) [ ] { }S S S r S r SS SSu R u M p L R M pM L p RumP + + =2 2 2 22 2 23 (2.18) 2.2.1.3Paramtres du Systme Lescaractristiquesmcaniquesdelaturbineolienne,lesparamtresdelafonction dapproximationducoefficientdepuissanceetles valeursnominalesetlesparamtres caractristiques du gnrateur aimants permanents sont rsums dans les tableaux 2.1, 2.2 et 2.3 respectivement : Tableau 2.1. Paramtres de la turbine olienne ParamtreValeur Rayon (R)1.8 m Surface de balayage (A)10.18 m Coefficient de puissance maximal (CpMax)0.42 TSR optimal ()6.8 Vitesse du vent nominale (vN) 12 m/s Vitesse de rotation nominale (N)700 tr/mn Tableau 2.2. Coefficients de la fonction dapproximation du Cp Par