Emulateur d’une hydrolienne

21/01/2019
Publication 3EI 3EI 2019-95
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2019-95:25351
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Emulateur d’une hydrolienne

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Emulateur d’une éolienne La Revue 3EI n° 95 Janvier 2019 49 Hors Thème Emulateur d’une hydrolienne YASSINE AMIRAT1 , GILLES FELD1 , ELHOUSSIN ELBOUCHKHI1 , MOHAMED BENBOUZID2 , NICOLAS RUIZ3 . 1. ISEN Yncréa Ouest Brest, UMR CNRS 6027 IRDL, 29200 Brest, France 2. Université de Brest, UMR CNRS 6027 IRDL, 29238 Brest, France 3. Guinard-Energies Brest, France Yassine.Amirat@isen-ouest.yncrea.fr ; Gilles.feld@isen-ouest.yncrea.fr 1. Introduction Le potentiel mondial hydrolien est estimé actuellement à 120 GW. En Europe, un tiers du potentiel des énergies des courants marins se situe le long des côtes bretonnes et normandes. C’est pourquoi, ces deux régions sont en pointe pour tout ce qui touche à l’énergie l’hydrolienne. Tout naturellement, c’est là que sont nés les premiers projets d’installation d’hydrolienne, Sabella sur le site du Fromveur, et Open Hydro – Naval Group sur le site de Paimpol Bréhat. Une caractéristique commune à ces premiers tests est la taille des démonstrateurs, respectivement avec des diamètres de turbine de 10 m et 16 m, avec comme conséquence un coût très important pour toutes les opérations maritimes. Comme tous les projets innovants, la technologie hydrolienne nécessite de solutionner un certain nombre de problèmes et notamment dans la conversion électrique, qui constitue une des causes des retards de ces premiers prototypes. A la lumière de ces premières expériences très onéreuses, la société Guinard Energies (GEs) a choisi de travailler sur des prototypes de petite et moyenne taille (diamètre de turbine de 0,50 m à 4 m), nécessitant peu de moyen de manutention, pour faciliter l’ensemble des tests de validation des différentes solutions proposées et réalisées. Ceci nous a permis de bien comprendre le couplage courants marins / génération électrique. Dans ce travail on s’intéresse à l’émulateur de l’hydrolienne qui a été réalisé pour valider certaines lois de commande et gestion de l’énergie produite. Cette émulateur a permis de mettre au point un prototype un système de mesure du potentiel hydrolien réellement accessible dans un site donné, le système POSEIDE [1] actuellement déployable partout dans le monde. Figure 1 : L’hydrolienne P66 2. Principe La structure de base du système proposé est représentée sur la figure 2. Figure 2 : structure de base 2.1. Recherche du maximum de puissance La recherche du maximum de puissance est réalisée avec connaissance de la caractéristique Cp=f(lambda) ; Résumé: L’objectif de ce document est d’étudier et de développer un prototype d’un émulateur d’une hydrolienne capable d’alimenter une charge isolée. Emulateur d’une éolienne La Revue 3EI n°95 Janvier 2019 50 Hors Thème Cette méthode ne nécessite aucune connaissance préalable des paramètres mécaniques ou électriques du système. Le principe de cette approche est basé sur la comparaison de la puissance électrique à la puissance optimale, l’erreur produite entre ces deux grandeurs l'action sur le rapport cyclique du hacheur boost permet de minimiser l'erreur. Figure 3 : Principe de la commande MPPT 2.2. Gestion du flux d’énergie La stratégie adoptée pour gérer la répartition de la puissance entre les différentes composantes du système, i.e., la génératrice synchrone, la charge de freinage, le banc de stockage batterie et la charge principale ; cette stratégie est appliquée afin de garantir un équilibre de la puissance active dans tout le système. A cet effet nous avons adopté les scenarios suivants : - Démarrage : durant la phase de démarrage, les deux hacheurs (utilisateur et de freinage) sont inhibés jusqu’à ce la vitesse de rotation atteigne une valeur minimale. Une fois cette vitesse minimale atteinte, la génératrice commence à débiter sur la charge de freinage en activant le hacheur correspondant. - Sur-production : la sur-production est caractérisée par Pgéné > Pcharge ; par conséquent, la puissance produite est partagée entre le hacheur utilisateur et le hacheur de freinage. - Sous-production : la sous-production est caractérisée par Pgéné < Pcharge ; par conséquent, le déficit de puissance est fourni par le dispositif de stockage. - Arrêt d’urgence : en cas de survitesse ou une situation d’urgence l’hydrolienne doit être arrêtée en faisant débiter la génératrice directement sur une résistance de freinage auxiliaire. L’organigramme principal de la commande du système est représenté par la figure 4. Figure 4 : Organigramme de gestion et contrôle 3. Mise en œuvre du système La mise en œuvre du système a été réalisée en deux étapes ; une étape modélisation et simulation, puis réalisation sur banc de test. 3.1 Modélisation et simulation Les modèles mathématiques exploités pour l’étude du système sont du type modèle moyen. - L’hydrolienne a été modélisée par l’expression : . . . . où représente le facteur de puissance de l’hydrolienne, la densité du fluide, A la surface balayée par l’hélice de l’hydrolienne et V la vitesse du fluide. - La génératrice a été modélisée par l’expression reliant la f.e.m. é à la vitesse de rotation Ω (rd/sec): é . Emulateur d’une éolienne La Revue 3EI n° 95 Janvier 2019 51 Hors Thème - Le dispositif de stockage a été modélisé par le modèle simplifié d’une batterie : - Les deux hacheurs ont été modélisés par leurs modèles moyens simplifiés : ! "# Résultats de simulation : Les résultats de la simulation sont représentés par les figures 5, 6, 7 et 8. Figure 5 : Caractéristique Puissance en fonction de la vitesse de rotation. Figure 6 : Profil de vitesse du courant marin Figure 7 : Forme d'onde des puissances théorique, électrique et mécanique Figure 8 : Forme d'onde caractéristique des courants 3.2 Manipulation Afin de valider les algorithmes MPPT et gestion de la puissance développés en simulation, une maquette à échelle réduite a été développée. La maquette réalisée comporte un convertisseur de puissance intégrant deux interrupteurs statiques avec 2 commandes isolées ainsi qu’une mesure des courants dans chaque bras. Les algorithmes de commande ont été implémentés sur la carte de prototypage dSPACE MicLabBox1202. - L’émulateur de l’hydrolienne est réalisé autour d’un moteur à courant continu commandé en couple comme illustré sur la figure 9 et le montage réalisé est représenté sur la figure 10. - Pour la mise en œuvre de la commande MPPT, l’algorithme P&O illustré par la figure 11 a été appliqué en utilisant la vitesse de rotation et la puissance produite comme entrées. Dans cet algorithme la vitesse de rotation a été estimée en utilisant la méthode de détection de passage par zéro de la tension produite par la génératrice synchrone ; et la puissance produite a été assimilée à la puissance au niveau du bus DC. Les figures de 12 à 13 représentent les différentes composantes de l’émulateur. Figure 9 : Bloc de commande du MCC pour reproduire le comportement de l’hydrolienne Emulateur d’une éolienne La Revue 3EI n°95 Janvier 2019 52 Hors Thème Figure 10 : Emulateur de l’hydrolienne Figure 11 : Hacheur utilisateur et de freinage Figure 12 : Hacheur utilisateur et de freinage Figure 13 : Dispositif de stockage et la charge principale Figure 14 : Le système de développement et contrôle Résultats expérimentaux : Les résultats expérimentaux sont représentés sur les figures 15 et 16. Ces résultats ont été obtenus pour les mêmes conditions, à savoir la même vitesse de fluide représentée précédemment sur la figure 6. Une fois que les algorithmes ont été validés, une compagne d’essai a été menée en mer avec la vraie hydrolienne P66 comme illustré par la figure 17. Figure 15 : Courbe expérimentale Puissance=f(t) Figure 16 : Courbe expérimentale Courant=g(t) Emulateur d’une éolienne La Revue 3EI n° 95 Janvier 2019 53 Hors Thème Figure 17 : Le prototype de l’hydrolienne sur la plateforme d’essai. 4. Perspectives Après avoir obtenu des résultats concluants et confirmé la faisabilité du concept, il faut s'intéresser aux voies d'amélioration. L'ambition de ce projet est de pouvoir contrôler une grappe d’hydroliennes, de surveiller l’état du système global en développant des algorithmes de surveillance et de gestion de l’état des hydroliennes et des batteries et d’associer d’autres sources renouvelables. Référence machine synchrone : 115 U 2 C 20 0 B CA A 115 190 Couple nominal Fréquence de rotation nominale Puissance nominale 9,4 N.m 2000 tr/mn 1820 W Rph ph = 4,55 Ω Lph ph = 25,7 mH Kt = 2,4 N.m / A Ke = 147 V / krpm K = 0,8 C K&. I()) E+, +, K(. N(. /0+1 K C 3. I()) E+, . Ω 1. Bibliographie [1] http://www.guinard-energies.bzh/fr/guinard- energies/ consulté le 10/09/2017. [2] Y. Amirat, G. Feld, E. Elbouchikhi, M. E. H. Benbouzid, H. Kermarrec, N. Ruiz, and C. Leloup, “Design and applications of a tidal turbine emulator based on a PMSG for remote load,” in Proceedings of the 2017 IEEE IECON, Beijing (China), pp. 1-5, October-November 2017. [3] http://www.bretagne.bzh/jcms/preprod_91986/pact e-electrique-breton consulté le 10/02/2018. [4] O.H. Mohammed, Y. Amirat, M. E. H. Benbouzid, and G. Feld, Optimal Sizing and Energy Management of Hybrid Wind/Tidal/PV Power Generation System for Remote Areas: Application to the Ouessant French Island, Smart Energy Grid Design for Island Countries, Chap. 12, p. 381-413, ISBN: 978-3-319-50196-3, Green Energy and Technology Series, Springer International Publishing, 2017. [5] S. Toumi, Y. Amirat, E. Elbouchikhi, M. Trabelsi, M. E. H. Benbouzid, and M.F. Mimouni, “A comparison of fault-tolerant control strategies for a PMSG-based marine current turbine system under generator-side converter faulty conditions,” Journal of Electrical Systems, vol. 13, n°3, pp. 472-488, September 2017. [6] Tony El Tawil, Jean Frédéric Charpentier, Mohamed Benbouzid, “Tidal energy site characterization for marine turbine optimal installation: Case of the Ouessant Island in France”, International Journal of Marine Energy, Volume 18, 2017, Pages 57-64. [7] Tony El Tawil, Jean Frédéric Charpentier, Mohamed Benbouzid, “Sizing and rough optimization of a hybrid renewable-based farm in a stand-alone marine context, Renewable Energy, Volume 115, 2018, Pages 1134-1143.