Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension

21/10/2017
Publication REE REE 2005-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-5:20534
DOI :

Résumé

Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension

Métriques

9
5
2.59 Mo
 application/pdf
bitcache://31c0e788ee072897b665ef5a50a677a23bf247c0

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2005-5/20534</identifier><creators><creator><creatorName>Benoît Robyns</creatorName></creator><creator><creatorName>Bruno François</creatorName></creator><creator><creatorName>Emmanuel de Jaeger</creatorName></creator><creator><creatorName>Franck Minne</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2017</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Sat 21 Oct 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Sat 21 Oct 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Apr 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">31c0e788ee072897b665ef5a50a677a23bf247c0</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>34706</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

L'ÉNERGIE ÉOLIENNE m Technologies dmérol « ienne de forte a Ir Ir puissance connectée au réseau de moyenne tension Mots clés Éoliennes, Réseauxélectriques, Machine asynchroneà double alimentation, Machine synchrone Par Bruno FRANCOIS i, Benoît ROBYNS z, Emmanuel de JAEGER 1, Frank M ! NNE' 'Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille (L2EP) - Ecole Centrale de Lille, 2 Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille (L2EP) - HEI, 1 Laborelec, Belgique 1. Introduction Différentes technologies d'éoliennes peuvent être utilisées pour convertir l'énergie d'origine éolienne en énergie électrique. Ces technologies se distinguent sui- vant la technologie de la machine électrique et suivant le mode d'extraction. Ainsi, pour les machines couramment utilisées, on distingue la machine synchrone à aimant permanent ou à inducteur bobiné, la machine asynchrone à cage d'écureuil ou à rotor bobiné. Pour le mode d'ex- traction de la puissance, on distingue les éoliennes à vitesse constante ou à vitesse variable. Le nombre de sites exposés de façon régulière à des vitesses importantes de vent étant limité, les constructeurs développent des éoliennes de puissance de plus en plus importante, de façon à rentabiliser au maximum l'exploitation de cette ressource. De nos jours, des éoliennes de puissance allant jusqu'à 5 MW sont commercialisées. Etant donné ce niveau de puissance, ces éoliennes sont généralement raccordées sur le réseau de distribution de moyenne tension, lorsqu'il s'agit de machines isolées ou de petits ensembles de quelques unités. Les centrales éoliennes de plus grande taille (dizaines de machines) doivent quant à elles être directement raccordées en haute tension, sur le SSENTI SYNOPSIS La conversion d'énergie éolienne en énergie électrique peut être Wind energy conversion systems can be carried out by various réalisée par divers types de machines. A 'origine, c'était la géné- types of electrica ratrice asynchrone classique, sans convertisseur électronique de puissance associé, qui était la plus largement répandue. Cependant, l'évolution technologique des convertisseurs a progressivement permis de se tourner vers des dispositifs plus complexes, réalisant, par exemple, une maximisation de la puissance convertie en fonction de la vitesse du vent, ce que n'autorise pas la machine asynchrone à vitesse fixe. Dans cet article, différentes structures d'éoliennes à vitesse variable sont brièvement présentées et l'une d'entre elles, utilisant une machi- ne asynchrone à double alimentation (MADA), est étudiée plus en détail. Son principe de fonctionnement et ses caractéristiques essentielles sont décrits et illustrés à l'aide d'enregistrements et relevés expérimentaux de longue durée (plusieurs heures) réati- sés sur une machine de 1,5 MW. Les différentes zones de fonctionnement - combinaisons de vitesse du vent, vitesse de rotation de la machine et puissance électrique produite - sont clairement mises en évidence ainsi que les principales caractéris- tiques de réglage. Un modèle mathématique est ensuite proposé, intégrant les divers dispositifs de commande de la génératrice dans ses quatre zones de fonctionnement. Il s'agit d'un modèle continu équivalent, reposant sur la modélisation de la machine dans un référentiel de Park. Les paramètres du modèle sont dérivés des caractéristiques générales du système et des résul- tats des mesures sur l'éolienne réelle. On montre enfin l'intérêt d'un tel modèle, dans le contexte particulier de l'évaluation des interactions entre l'éolienne et le réseau de distribution MT auquel elle est raccordée (par exemple, les variations du plan de tension ou l'influence sur les mécanismes de protection). machines. First the most largely widespread technology was based on a traditional asynchronous generator, without associated power electronic converter. However, the technological development of power electronic converters gradually made it possible to turn to more complex devices, per- forming, for example, a maximization of the converted power according to the speed of the wind, which does not authorize the first simple conversion system. In this article, various variable speed wind generator structures are briefly presented and one of them, called Doubly Fed Induction Machine (DF ! G), is detailed. Its operation principle and its essential characteristics are described and illustrated using recordings and experimental statements of long duration (several hours) carried out on a 1.5 MW machine. The different operating regions (combinations of the wind speed, machine speed and electrical power generation) are clearly high- lighted as well as the principal static characteristics. A mathema- tical model is then proposed, integrating the various control devices of the generator in its four operation zones. It is an equi- valent continuous model, which is based on the modelling of the machine in a Park frame. The parameters of the model are derived from the general characteristics of the system and the measurements on the real wind generator. One shows finally the interest of such a model, in the particular context of the eva- luation of the interactions between the wind generator and the distribution network to which it is connected (for example, variations of voltage or influence onto protections). REE No 5 Mai2005 . Dossier) L'ÉNERGIE ÉOLIENNE réseau de transport. Cet article présente les différentes technologies d'éolienne développées pour de tels niveaux de puissance en rappelant auparavant le principe de la conversion d'énergie à vitesse variable. L'installation massive de ce mode de production n'est pas sans consé- quence sur la structure existante et le fonctionnement des réseaux électriques. C'est pourquoi nous présentons dif- férentes mesures réalisées sur une éolienne réelle basée sur une machine asynchrone à double alimentation, ainsi que différentes caractéristiques qui peuvent en être extra- ites. Ces informations ont permis de développer un modèle mathématique dont la validité par comparaison avec des mesures réalisées sur site est montrée. Différentes utilisations de ces modèles dans le cadre des réseaux électriques sont alors expliquées, et en particulier l'influence de l'éolienne sur le réseau moyenne tension auquel elle est connectée est illustrée. 2. Eolienne à vitesse fixe Les premières éoliennes commercialisées reposent sur l'utilisation d'une machine asynchrone à cage direc- tement couplée sur le réseau électrique. Cette machine est entraînée par un multiplicateur et sa vitesse est rendue constante par un système mécanique d'orientation des pales. La conception des turbines éoliennes à vitesse fixe dépend beaucoup des caractéristiques aérodynamiques et mécaniques. Le temps de réponse de certaines de ces parties se situe dans la gamme de la dizaine de millise- condes. En conséquence, en cas de rafales de vent, on peut observer une variation rapide et importante de la puissance électrique générée. Ces variations ne sont tolérables que sur un réseau électrique relativement puissant, et exigent également une conception mécanique solide permettant d'absorber des efforts mécaniques élevés. Cette technologie oblige donc à une construction mécanique coûteuse, notamment pour assurer le fonction- nement à puissance élevée. 3. Intérêt de la vitesse variable Un paramètre caractéristique important des éoliennes est le ratio de vitesse À. Celui-ci est défini par : , RQ (1 \ 1 x= (1) v où À est la vitesse de rotation de la turbine, v, la vites- se du vent et R, la longueur des pales. La caractéristique typique en puissance d'une turbine en fonction de la vitesse du vent et du ratio de vitesse (,) est présentée sur la figure 1. Le lieu du point représentant le maximum de la puissance P convertie (représenté par la courbe en pointillés) peut être obtenu et parcouru en adaptant la vitesse de la turbine (courbe épaisse) [1]. Ainsi, afin de maximiser la puissance convertie, la vitesse de la turbine doit donc être adaptée à la vitesse du vent. C'est pourquoi les éoliennes de forte puissance, actuellement raccordées sur les réseaux de moyenne tension, fonctionnent sous vitesse variable. Les avantages principaux des éoliennes à vitesse variable comparés aux générateurs à vitesse fixe sont les suivants : . elles augmentent la plage de fonctionnement, notamment pour les faibles vitesses de vent où le maximum de puissance est converti. Indirectement la disponibilité et la puissance générée du système sont augmentées, . elles nécessitent un système d'orientation des pales très simple. De par le contrôle de la vitesse du générateur, les constantes de temps mécaniques n des pales peuvent être plus longues, réduisant la complexité du système d'orientation des pales et son dimensionnement par rapport à la puissance nominale Pj. En conséquence, pour de faibles vitesses de vent, l'angle d'orientation des pales est généralement fixe et il est augmenté pour limiter la puissance électrique à sa valeur maximale aux fortes vitesses de vent, . elles réduisent les efforts mécaniques de par le fait que lors de variations du vent, la vitesse de la tur- bine est adaptée. " L'élasticité " ainsi créée permet d'amoindrir l'incidence des rafales de vent sur la puissance générée pour ce domaine de fonctionnement, . elles réduisent le bruit lors des fonctionnements à faible puissance car la vitesse est lente. p 1 ieu des iiiaxii-ni-iiii Pn ( 1 t 1 ,'.', H 0.5 - Oi-n/s 0.25 0.25 .... .///'.- :--.. \10m s 1 IF, 1 m 1 15 1 1 19, v 1 5 8 Figure 1. Exen2ple de caractéri.stique de réglage de la vitesse (Q : vitesse de la turbine, v vitesse du vent, R : longueur des pales). 4. Connexion au réseau des éoliennes à vitesse variable contrôlée via le stator Le fonctionnement à vitesse variable est rendu possible par l'utilisation de convertisseurs de puissance. Une première technologie d'éolienne à vitesse variable consis- te à créer un bus continu intermédiaire par l'utilisation de REE No 5 Mai2005 Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension Feécuence l " -re " " ence mi varial>Le (ocÎ .J ,,r,c,l,le (,c I -1-fillf 4 1 Machine Asvnchrone \ "' " l Onduleur uq 41 i ... - .. = ... ... EB m .... 'S = -OB-s s ac 50 Hz - = Figbire 2. Eolieiiiie a vitesse variable basée stir iiiie iiiachiiie as,iichroiie. 1,'réqitetice (-) IlcitlleLli. Ondtileur i,ai-lible (ac) Ni [- 1 - --.. - - m 1 Machine synchrone \ 71 a = ... s u E -J lm = co' " - IAAAI - C0 L - s - ! - -. ... cic 50 Hz F : w = Figure 3. Eolieiiiie à vitesse iariable basée siir uiie inachine syiichroiie à graiid iioiibi-e de paires de pôles. - 1- MiiitiplicÉteiii- Machine Asynchrone Mil l à Double Alimentation 11 36 Balais Balais p B 1 S. mmiiduleiti Oncluleur MLI Turbine Fi-éqiieiice voi-iable (ac) MI<+ 5 .... 9 ae [ : : : > qs 50 Hz E L l -7 Onduleur LI t t t -HB -HT-' 0 w f-< s M H G y d CB E ... " M ... c o M ... ... Cu Figtii-e 4. Eolieiine à vitesse variable basée sitr iine inachine asyiichroiie à dotible aliiiieiztation. REE ? 5 Mai 2005 . Dossier) L'ÉNERGIE ÉOLIENNE deux convertisseurs de puissance. Un premier convertisseur permet une alimentation sous fréquence variable du circuit électrique du stator, ce qui permet un contrôle de la vitesse du générateur. Le générateur peut être une machine asynchrone à cage couplée à la turbine avec un multiplicateur de vitesse (figure 2) ou une machine synchrone (comportant un grand nombre de paires de pôles) couplée directement à la turbine (figure 3) [2]. Un second convertisseur permet de générer des courants adaptés à la fréquence du réseau électrique, avec la possibilité de régler la phase par rapport à la tension et donc la puissance réactive générée. Cette connexion est réalisée au moyen de trois inductances de lissage permettant de réduire significativement les harmoniques issus des convertisseurs de puissance. Bien que cette technologie permette la construction d'éoliennes de puissance conséquente, elle présente plu- sieurs inconvénients : . les convertisseurs de puissance doivent être dimen- sionnés pour véhiculer la puissance totale générée, qui a une conséquence directe sur le coût du système, . les filtres sont également dimensionnés pour la puissance totale Cela engendre des problèmes de conception, d'encombrement et également une répercussion sur le coût, . les pertes des convertisseurs de puissance sont un facteur important dans le rendement de ce système et cela, sur la plage entière de fonctionnement. Cependant, les technologies basées sur une génératri- ce synchrone à aimants permanents se développeront à l'avenir grâce à son excitation autonome et par le fait qu'elle permet d'éviter le multiplicateur. Ce dernier avan- tage est particulièrement intéressant dans le cas des appli- cations offshores. 5. Eoliennes à base de machine asynchrone à double alimentation Pour les générateurs à base de machine asynchrone, la différence entre la vitesse mécanique, Q, et la vitesse dite synchrone (imposée par la fréquence du réseau), Q, est définie par le glissement : c QS-J7.Q " = .s où p est le nombre de paires de pôles. (2) Le glissement est fonction de la résistance que présente le circuit rotorique. Ainsi, pour les machines à circuit rotorique bobiné, une façon de rendre variable la vitesse mécanique de ce générateur est de rendre variable le glissement en modifiant la résistance du circuit n rotorique. Plutôt que de dissiper cette puissance, il est beaucoup plus intéressant de la renvoyer sur le réseau. Le même système d'alimentation, reposant sur deux convertisseurs de puissance est ainsi utilisé, mais pour alimenter le circuit électrique disposé au rotor. Ce circuit est rendu accessible grâce à un système de bagues-col- lecteurs (figure 4). En conséquence, la puissance transi- tant à travers le circuit rotorique est rendue variable et deux fonctionnements peuvent être distingués [3]. Si la vitesse mécanique est supérieure à la vitesse synchrone (s < 0, Q > QJ, un fonctionnement hypersynchrone est obtenu pour lequel la puissance est extraite du circuit rotorique et est envoyée sur le réseau à travers les conver- tisseurs de puissance (fig. 5). Sinon (s > 0, Q < QJ, un fonctionnement hyposynchrone est obtenu et la puissan- ce totale circule alors du réseau vers le circuit rotorique. En pratique, seule une variation de la vitesse de +/-30 % (correspondant à la valeur du glissement s acceptable) autour de la vitesse de synchronisme est utilisée ; cela va engendrer une limitation de la puissance circulant dans le circuit rotorique (ls.PI). IPgl À 'A "'''''''-- " "- Fonctionnement hyper synchrone -------------- f Fonctionnement i hypo synchrone i i i s>O 1 1 : Q dem,. Q " alTet Figure 5. C (ii-ci (-téi-isticlite de Ici pi (isstiiice géiiéi-ée (Pg)/vitesse de la MADA. Comme seule une fraction de la puissance est rendue variable, la chaîne de conversion électronique est dimen- sionnée pour une moindre puissance et son coût est dimi- nué. Ainsi, les éoliennes utilisant une machine asynchro- ne à double alimentation (MADA) permettent d'éviter la plupart des inconvénients des topologies présentées pré- cédemment : . le coût des convertisseurs est réduit car ces derniers ne sont dimensionnés que, typiquement, pour 30% de la puissance totale du système qui transite à travers le circuit rotorique [51, · le coût des filtres s'en trouve également réduit, les harmoniques liés à la modulation des convertisseurs de puissance représentant une fraction des harmo- niques totaux, . les pertes liées aux convertisseurs de puissance sont diminuées et le rendement du système de génération est amélioré, REE No 5 Mai2005 Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension 'le facteur de puissance peut être réglé car la MADA peut être contrôlée pour fonctionner de façon similaire à celle d'un alternateur synchrone [5]. En effet, la puissance active et la puissance réactive peuvent être contrôlées de façon indépen- dante grâce au convertisseur connecté sur le circuit électrique du rotor. Il joue ainsi de manière simi- laire le rôle d'un système d'excitation. Ce type de génératrice présente cependant l'inconvénient de nécessiter un système de bagues et de balais, ainsi qu'un multiplicateur. L'entretien de ces éléments est à prendre en compte dans le programme de maintenance, tout particulièrement pour les projets off shore situé en milieu salin. Ces différents arguments justifient qu'actuellement, la majorité des projets éoliens terrestres supérieurs à 1 MW repose sur cette technologie. La multiplicité de ce type de production dans les réseaux de distribution, pose dès lors de nombreux problèmes qu'il s'agit d'identifier et d'analyser. Dans ce contexte, des chercheurs du Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille et du groupe SUEZ (Tractebel Energy Engineering et Laborelec) se sont associés au sein d'un projet (Futurelec 1) du Centre national de recherche tech- nologique (C.N.R.T.) « Machines et réseaux électriques du futur ». Ce projet avait pour but de développer des modèles mathématiques d'unité de production dispersée et, notamment, de cette technologie d'éoliennes. La fina- lité de ces modèles mathématiques est double : . permettre de résoudre des problèmes liées aux réglages [8] . être implantée (en réalisant des simplifications) dans des logiciels de simulation de grands réseaux électriques pour réaliser des études dynamiques [10]. Différents niveaux de modélisation doivent être considérés selon la précision désirée et la dynamique que l'on souhaite prendre en compte par rapport à la finalité d'utilisation des modèles. 6. Relevés expérimentaux Pour évaluer et caractériser les différentes caractéristiques de cette technologie d'éolienne, des relevés expérimentaux ont été effectués par LABORELEC sur une éolienne réelle. Cette éolienne comporte une génératrice asynchrone à double alimentation de 1,5 MW produisant sa puissance sous 690 V et couplée au réseau de moyenne tension au travers d'un transformateur élévateur. La turbine est située à une hauteur de 80 m et comprend trois pales de 35 m de longueur. Cette éolienne est prévue pour un fonctionnement sous une vitesse de vent comprise entre 4 et 25 m/s. Les relevés expérimentaux ont été réalisés toutes les 10 secondes sur une durée de dix heures. La figure 6 montre un enregistrement de la vitesse du vent, de la puissance électrique générée, de la vitesse de la géné- ratrice et de l'angle d'orientation des pales. Un grand intérêt de ces relevés expérimentaux est qu'ils concernent l'ensemble des points de fonctionnement possibles de l'éolienne. La puissance totale (envoyée sur le réseau) s'étend sur toute la plage de fonctionnement du générateur éolien. On constate que la puissance est limitée à 1,55 MW et qu'elle fluctue selon la dynamique du vent. La vitesse du vent est fluctuante autour d'une faible valeur de 2 m/s aux alentours de t = 7 h, ce qui corres- pond à la zone de démarrage du processus de génération d'énergie avec une vitesse de rotation pratiquement constante et égale à environ 1100 tr/min. A partir de ces données, la caractéristique puissance/ vitesse permet d'identifier les zones de fonctionnement caractéristiques de cette éolienne montrée à la figure 7. La zone 2 est la zone pour laquelle une extraction maximale de la puissance (MPPT) est réalisée en adap- tant la vitesse de la génératrice. La vitesse mécanique est très variable et correspond à une grande plage de varia- tion de la puissance électrique produite. La zone 3 correspond à une vitesse mécanique quasi- ment constante et comprise environ entre 1560 et 1850 tr/mn de la génératrice. Cette zone est présente quelle que soit la technologie et coïncide à une puissance générée proportionnelle au couple (d'origine éolien) appliqué. Pour la zone 4, la puissance est limitée à sa valeur maximale (1550 kW) grâce à un système d'orientation des pales. À partir de ces relevés, un certain nombre de caracté- ristiques liées au système de commande peuvent être retrouvées. La première caractéristique de réglage est celle de la vitesse de la génératrice qui repose sur l'utili- sation du ratio de vitesse. Ce dernier a été calculé à partir des relevés expérimentaux de la vitesse de la génératrice et de la vitesse du vent en utilisant l'expression suivante : À= R. mesnré Gmu'VmeslIré (3) Sur cette caractéristique, on constate une plage de fonctionnement à ratio constant de vitesse (égal à 9) pour une vitesse de vent comprise entre 5 et 7 m/s (figure 8). Cette zone de fonctionnement correspond à la zone de fonctionnement à maximum de puissance (zone 2). On remarque qu'une seconde loi de réglage permet de diminuer le ratio de vitesse en fonction de la vitesse du vent afin de maintenir constante la vitesse de rotation de la génératrice (zone 3). La seconde caractéristique de réglage est celle qui règle l'angle d'orientation des pales pour maintenir la puissance électrique générée constante et égale à sa valeur nominale de 1550 kW (fig. 9). REE No 5 Mai2005 L'ÉNERGIE ÉOLIENNE \/c3nt (nn/s) " " t------ ------------- ! ------t------ ! 4 I Vn1 : (rTl/s) 16 B ;, I 4- 2 C> ; 2 4. 6 B 1C 4 temps (heur-e) 2 O 2 4 6 t mps (haura) Pu.uissaroce éléctriqua (KW) soo a oo. . i 'Y : I i,'r I 1 aoo. I , o0o IIÎ j h, I i I''i : i :'I ; aoô I, I i' II i _ i i· 400 20O Li ylL1 _ BOO i : 1 l',i " ( (11 l, l, i'Il - f--'t-h,--------- " °° " tW- '-tt------ - i.. Ii 1 400 L OG. ---- :----- --- -----------------------------------------------------I--------------------------------- 0 _______________ _________________________________________________'. "'___________________ E3 Z3 200 O 2 4 6 8 C tiD 1E3c :)C :) 1CI c-j (:> 1 4 (DID Y800 7600 7400 00 1 800 600 1 C> (DC) CIC) C) BOa 600 C : P (D o 0 v/itosso (tr/mn) w pf " "" e,,, i)'i 1 4 (, !,,l.1 : 14IY tt_o. y ÎY 1 - k .'-A i'_ü i ; - ID .4 6 8 tC tor-nps (heure) 90 so iE3c) -7c3 eo 40 14 C :> 3 (D 2 C-> so 1 (D Cl FDl <-) --- !-a------ 1 1 1.1- à- IL 1 g.dl 1 1 fflfiu ta " -,4 o 4 6 8 7 ( E3 1 Figure 6. Eni-egisti-eiîieiit de la vitesse du veiit, de la pitissaiice élec,triqtte, de la vitesse de la géiiératrice et de l'angle d'orieiitcitioii des pales d'uiie éoliei7iie de 1,5 MW. REE N°S Mai2005 . Technologies d'éolienne de forte puissance connectée au réseau de moyenne tension Puissance électrique (kW} lsoo 1600 mesure !.--mesure 1400 -Ti il 1 1200 1000 800 i Pl p 100Û ---- ____ ____ ____ ____ ____ ..____ Ïz PFT.,.....,. 400 200____________°' "- "' ____. " ________.____ 200 Zone 7:'4 Demarr : t o-........JjL. ::.__---- : : -- 0 200 - 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Vitesse mécanique (tr/mn) Figure 7. Identification deS 7,oiies de fonctioiinenient. Angle (0 90 80 70 60 50 40 30 ----- 20 10 ,/ t o 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Puissance (kW) Figcrre 9. Caractéristiqbie de l'angle d'orientation des pales. Ratio devitesse enfonction dela vitesse duvent 16 14'-. \ 12- \ \ a - \ -. l "'. " " v "'-- 4 2 2 o 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Vent (mis) Figiire 8. Caractéristiqtie dit ratio de vitesse. 7. Modèles et comparaisons En utilisantles formalismes de modélisation développés au sein du Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille (Graphe Informationnel de Causalité : G.I.C. et Représentation Energétique Macroscopique : R.E.M.), un premier modèle mathématique de cette éolienne a été développé dans le repère de Park (fig. 10) [6]. Ce modèle intègre les dispositifs de commande de la génératrice, de la régulation du bus continu et des transits de puissance dans le circuit rotorique ainsi que le dispositif de réglage et d'orientation des pales, et cela pour les quatre zones de fonctionnement (figure 7). Les informations techniques ainsi que les relevés expérimentaux ont permis de déterminer les différents paramètres électriques, mécaniques et les constantes de temps des fonctions de réglage. NLXS Noeu (l ile Turbin 1 connexion Turbm lultipli,\r6r r Qr I, " l IY (.r) r (_,,,. cateu. f_ ,,, < -----, ---.-----,,----, L ! !' lultil) li q1 nu rnea -c.iteul- 1 lonvei-t u i " nirr r Crm r -r9 \ILI r,_ Dr 71 \II,I n If rl : 9i %-rlq pÎ u mrbme n ,. : !/ z ie lq] -'LI 1, D'i l kl rp 2 lql lq lq Modèle continu Contrôle..,, 3 S ,, vectonf-Hc = S e équivalent du processus o 0 0 C d . n, I-d 1S a, Commande r " Convcrt. Conve.-.. courants LI 111, dela Aela \L\S --.r--- ----------' ? ------- ------- ',,r Du Du courants (-70n,el.t. Conveil. JY " f <'r,n rre - tn /31'<'/s'211/I'<'J<'/1/ (IJ1'/ Il'lJd v, z.f a,.l n a, Contrôle desdifféi-entes zones ('ontrôle les i,ui,,at defonctionnement .. ('_ontrôle du ContrôleAe Contrôle du Cont !'ôle de bus continu).) tension bus continu 1-· fi·i Figure 10. R.E.M. dans le repère de Park du iiiodèle et du dispositif de coniniande de l'éolienfie. REE No 5 Mai 2005 . Dossier) L'ÉNERGIE ÉOLIENNE Puissance é ! Gctnquc (KW) on zone 2 310 ,. ,'- s 4 300 250 t : n ° s-` v ty , \, .'\ 200 150 7so `' t f yfrt r t f 100 mesure i simulation 50 - 01 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 Temps (s) Vitesse mécanique (tr/mn) enzone 2 1400 S 1200 1000 800 600 __ mesure 400 mesure simulation 200 o 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 Temps (s) Figure ii. Comparaison des relevés expérimentaux avec les résultats sirnulés lors d'iiii.foiictioiiiieiiieiit eii oiie 2. De manière globale, on a pu constater que les tendances des grandeurs sont bien suivies par le modèle simulé, malgré un très grand manque d'information sur la caractéristique réelle de la turbine. A titre d'exemple, les figures 1 et 12 permettent d'illustrer ce constat en com- parant l'évolution dynamique de la puissance électrique et de la vitesse mécanique respectivement dans les zones de fonctionnement 2 et 4. 0,5s lors du couplage [9]). La propagation des harmo- niques dus au fonctionnement en commutation des convertisseurs de puissance peut être également évaluée. Il faut néanmoins adapter la précision de ce modèle aux dynamiques à prendre en compte pour ce type d'étude. Par exemple une étude de pollution et de propagation d'harmoniques a été réalisée en assimilant le fonction- nement des convertisseurs de puissance à un ensemble d'interrupteurs idéaux [7]. Puissance électrique (kW)enzone 4 1600 A/--n ;" \ /' " 1400 1200 3 1000 800 800 Y 600 IMLJ a 10 4110 Mesure Stmu !at!on 20 () o 5100 5200 5300 5400 5500 5600 rr,. rw Vitesse mécanique (tr/mn) enzone 4 1800 1600 1400 niu a oiii Mesure 1200 1000 800 600 400 200 o 5100 5200 5300 5400 5500 5600 Figure 12. Cornparai.sorr des relevés expérimentaux avec les i^ési (Itats siiiiulés lors d't (ii,fi) iictionneiiient en zone 4. 8. Influence de l'éolienne sur le réseau Nous présentons ci-après une application de ce modèle mathématique pour évaluer l'influence de l'éolienne sur les courants, tensions et le transit des puissances au sein d'un réseau électrique selon les turbulences du vent. Une synthèse de ces travaux concemant un réseau de distribution de 15 kV (simplifié par la méthode des équivalents de charge, fig. 13) est présenté dans [6]. Ce modèle a permis notamment de vérifier le respect de différentes normes ou contraintes sur les protections. Par exemple, la figure 15 montre la variation du plan de tension dans les limites fixées (exemple : ±5% de la tension nominale dans le réseau HTA français pendant au maximum Bus C Bus D Charge L 1MVA. cosq =0.9 1000 MVA,70 liV ,v I ] l il Il il ], (Il Ili zlleti [ 151,V 170 kV, 20'j%IVA )5kV/7 M M - C N E 20 40 60 t (s) 80 100 N 6 u C tC M m - HV Transfo mer c : QI 01 1 1 1 4 z 20 40 60 i (S) 80 100 500 0 Bus D cc c: c C A N N LU -1000 m HV Transf mer 3