Conférence Tunisienne de Génie Electrique
CTGE’ 2004
Méthodologie de conception d’un système éolien en site isolé par l’outil Bond Graphs
SPM1: Communication N°3
Par : Ahmed HATTABJamel BELHADJ Xavier ROBOAM
Tunis-19, 20 et 21 Février 2004
Laboratoire des Systèmes Électriques (LSE-ENIT)
Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle (LEEI-CNRS-INPT)
Problématique d ’actualité : Énergies renouvelables
Méthodologie de Conception d’un Système de Production de l’énergie électrique au fil du vent
Énergie Éolienne GS
V, f
Vent (cinétique , aérodynamique ) / mécanique / électrique …..
Système pluridisciplinaires et complexe
PLAN DE L ’EXPOSE
Motivation du thème de recherche
Conclusions
Méthodologie de conception du système
Modélisation et analyse systémique du système
Performance du système éolien
Méthodologie de conception du système (1/2) 1/13
Système énergétique
Maximiser la puissance électrique récupérée
•Comportements aléatoires des sources renouvelables
•Plusieurs formes de l’énergie et multi-domaines
•Différentes échelles de temps ( vent , mécanique, électrique, …
•Des non-linéarités : sources , convertisseurs , charges…
Conception sous angles « approche système »
Formalisme Bond Graphs
Méthodologie de conception du système (2/2) 2/13
Caractéristiques du Formalisme Bond Graphs
Représentation énergétiqueTransfert de puissance au sein du système
Relation de cause à effet
Représentation unifiante (multi-domaines) pluridisciplinaires
Deux variables pour exprimer le transfert de puissance
Flux : f
Effort : e
A B
eA Bf
Éléments Stockage Irréversible Source
SymbolesC
IR
Sf
Se
Contrainte
0 , 1 , TF , MTF
GY MGY
Problématique Nationale : Balance énergétique
Potentiel éolien en Tunisie
3/13
Dépassant les 500 MW
900 kWh/m2/an dans certaines régions.
kcvvF exp1)(
k
cvk
cv
ckvp exp)( 1
Répartition du Weibull
Densité de probabilité
Motivation du thème de recherche
Présentation du système éolien en site isolé (2/10) 4/13
La chaîne de conversion éolienne
MS 3 ~Vent
Turbine Génératrice synchrone Redresseur à diode Accumulateurs
Plusieurs formes de conversion d’énergie
D1
D4
D3
D6
D5
D2
Transformation de l’énergie
Énergie cinétique
du vent
Source éolienne
32
1vSPvent
éolP
Pertes inertielles
Jv
Pertes par frottementf m
,mécaC
mécaP
,emC
Pertes d’efficacité Cp
,éolC ss IE ,
emP emPss IU ,
élecP
Conversionélectromagnétique
Pertes résistivesRs
v
Turbine éolienne Machine synchronePertes inductives
LsPertes
inertielles
Jm
2
2
1mvEc Puissance
disponible3ρAv
2
1P CpvR
2
1P 32
R
Macro modèle BG V
R .
Puissance récupérée
I:Jv I:JmI:Ls
Source
Vent1
R:Cp
Céole
Cméca
R: f m
1Cem
MGY
r R: Rs
1Es
Is
Us
Is
R: Charge
5/13
Modélisation de la source primaire
Description du vent : Vvent = Vbase + Vrampe + Vrafale + Vbruit
Vbase = VMoyenne = 7.42 m/s
Vrampe = Echellon de vitesse de 1 m/s
Vrafal = Vent rafale de courte durée de Vmax = 14.5 m/s
Vbruit = Perturbation haute fréquence de Vmin = 0.25 m/s
6/13
Modèle analytique du vent à partir duquel nous avons effectué les différentes simulations
t
Tt
Tt
Tt
Tt
Tt
Tt
TventV .200sin25.0.100sin5.0.60sin.20sin25.1.10sin5.1.6sin75.1.2sin242.7
Modélisation de la turbine éolienne (1/2)
Caractéristique de la turbine éolienne
Couple éolien ...)(C 23
p ooo cba
VRcVRbRaS vovovov ........C 22321eole
7/13
8/13
Modèle bond graph de la partie aérodynamique
Puissance Éolienne
Cméca
Couple Éolien
Vent
I : Jm
R : fm
1f e W
couple éolien
Le couple éolien est proportionnel à la puissance éolienne en valeur moyenne et en instantané (très variables)
Modélisation de la turbine éolienne (2/2)
Modélisation de la génératrice (1/2) 9/13
Modèle bond graph de la Géné Syn A . P
)sin(._.
)sin(._.
)sin(._.
.
343
322
1
élec
élec
élec
mécaélec
méca
aimantFluxpr
aimantFluxpr
aimantFluxpr
p
dt
élec
Cméca
Phase1V1
Phase2V2
phase3V3
Générateur_Phases
R :Rs
I :Ls
I :Ls
I :Ls
MGY
MGY
MGY
1
1
1
R :Rs
R :Rs
f
1
méca
Es1
Is1
Es2
Is2
Es3
Is3
r1
r2
r3
Mécanique / Électrique
Cem
MGYr1,2,3
Es
Is
10/13
•Amplitude constante
•Fréquence fixe
•Amplitude variable
•Fréquence variable
Vent moyen
Vent très variable
Modélisation de la génératrice (2/2)
11/13Modélisation du convertisseur statique
Modèle bond graph du convertisseur AC / DC
D1
D4
D3
D6
D5
D2
GS 3 ~Vbc
D1D2 D3D2 D3D4 D5D4 D5D6 D1D6
Vph1-Vph3 Vph2-Vph3 Vph2-Vph1 Vph3-Vph1 Vph3-Vph2 Vph1-Vph2
Deux interrupteurs fermés (deux diodes passantes) : ===> séquence
Vbc
Vph1
Vph2
Vph3
MTF
MTF
MTF 1m1
m3
m2
BG Elément de commutation
Change à la commutation
12/13Performances du système éolien
Vent moyen Vent instantané
Puissance électrique proportionnelle en valeur moyenne à la puissance éolienne
• Développement d’une source de puissance 600W ( 520W )• Paramètres primaires très variables en instantané: Puiss électr. lente• importance de l’analyse en moyenne et en instantané
Puissance électrique varie lentement en valeur instantanée % à la puissance éolienne : Filtres ( inerties du systèmes )
13/13Conclusions
Amélioration des performances énergétiques des systèmes hybrides avec PV
1. Une commande adéquate des convertisseurs d’adaptation (MPPT éolienne) pour l’optimisation de l’énergie électriques.
2. Augmenter le nombre des éoliennes (sites isolés )
3. Possibilité de l’intégration du système au réseau électrique national: impact , taux de pénétration, étude technico-économique…
Méthodologie de Conception d’un Système Éolien en site isolé par BG
Modélisation systémique (Vent- Puissance électrique ) d’un système éolien en site isolé à VV : Analyse instantané et en moyenne