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BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique i

BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 1/18 BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR ELECTROTECHNIQUE SESSION 2014 -------------------- ÉPREUVE E.4.1 Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Durée : 4 heures – Coefficient : 3 Matériel autorisé : Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée conformément à la circulaire N° 99-186 du 16/11/99. L’usage de tout autre matériel ou document est interdit. -------------------- Le sujet comporte 18 pages numérotées de 1/18 à 18/18. Les documents réponses (pages 17 et 18) sont à remettre avec la copie. -------------------- Il sera tenu compte de la qualité de la rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le (la) correcteur (trice) attend des phrases construites respectant la syntaxe de la langue française. Chaque réponse sera clairement précédée du numéro de la question à laquelle elle se rapporte. Les notations du texte seront scrupuleusement respectées. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 2/18 IMPLANTATION ET EXPLOITATION D’UN PARC ÉOLIEN L’amélioration de l’efficacité énergétique et l’exploitation croissante des sources d’énergie renouvelables constituent les deux axes principaux de la transition énergétique que la France met en œuvre pour faire face à la demande en énergie. Un des objectifs du Grenelle de l’environnement est de porter à 23 % la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie finale d’ici à 2020. La production d’électricité à partir de l’énergie éolienne, encouragée par la politique énergétique des différents gouvernements, ne cesse de croître depuis ces dix dernières années comme en témoigne le graphique suivant : Le département de la Meuse présente selon le Schéma Régional Eolien (SRE) de Lorraine des conditions favorables à l’implantation d’éoliennes. La commune de « Les Souhesmes-Rampont » fait partie d’une des dix-huit Zones de Développement Eolien (ZDE) de la région, condition nécessaire pour bénéficier des tarifs de l’obligation d’achat garantis pendant 15 ans par le gestionnaire du réseau électrique. Le prix de rachat est actuellement fixé à 8,2 c/kW.h, il est indexé sur l’inflation. La société « Iberdrola Renewable » a obtenu le permis de construire autorisant l’implantation d’un parc de six éoliennes sur le site dit de « Rampont » : BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 3/18 Les éoliennes proposées par le bureau d’étude chargé du projet sont de type « G90 – 2.0 MW » dans la gamme du fabricant européen Gamesa : G80-2.0 MW G87-2.0 MW G90-2.0 MW G97-2.0 MW G114-2.0 MW ROTOR Diamètre 80 m 87 m 90 m 97 m 114 m Aire balayée 5 027 m² 5 945 m² 6 362 m² 7 390 m² 10 207 m² Vitesse de rotation 9,0 – 19,0 tr.min-1 9,0 – 19,0 tr.min-1 9,0 – 19,0 tr.min-1 9,6 – 17,8 tr.min-1 -- PALES Nombre de pales 3 3 3 3 3 Longueur 39 m 42,5 m 44 m 47,5 m 55,5 m Profil NACA 63.XXX DU + FFA-W3 DU + FFA-W3 Gamesa Gamesa Matériau Fibre de verre préimprégnée de résine époxy Fibre de verre préimprégnée de résine époxy Fibre de verre préimprégnée de résine époxy Fibre de verre préimprégnée de résine époxy Fibre de verre TOURS Type de tour Modulaire Modulaire Modulaire Modulaire Modulaire Hauteur 60, 67, 78 et 100 m 67, 78, 90 et 100 m 67, 78 et 100 m 78, 90, 100 et 120 m 93, 120, 140 m et autres MULTIPLICATEURS Type 1 étage planétaire 2 étages à arbres parallèles 1 étage planétaire 2 étages à arbres parallèles 1 étage planétaire 2 étages à arbres parallèles 1 étage planétaire 2 étages à arbres parallèles 1 étage planétaire 2 étages à arbres parallèles Rapport 1:100,5 (50 Hz) 1:120,5 (60 Hz) 1:100,5 (50 Hz) 1:120,5 (60 Hz) 1:100,5 (50 Hz) 1:120,5 (60 Hz) 1:100,5 (50 Hz) 1:120,5 (60 Hz) GÉNÉRATEUR Type Générateur à double alimentation Générateur à double alimentation Générateur à double alimentation Générateur à double alimentation Générateur à double alimentation Puissance nominale 2.0 MW 2.0 MW 2.0 MW 2.0 MW 2.0 MW Tension 690 V AC 690 V AC 690 V AC 690 V AC 690 V AC Fréquence 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz Classe de protection IP 54 IP 54 IP 54 IP 54 IP 54 Facteur de puissance 0,95 CAP - 0,95 IND dans toute la plage de puissance* 0,95 CAP - 0,95 IND dans toute la plage de puissance* 0,95 CAP - 0,95 IND dans toute la plage de puissance* 0,95 CAP - 0,95 IND dans toute la plage de puissance* 0,95 CAP - 0,95 IND dans toute la plage de puissance* * Facteur de puissance sur les bornes de sortie de la génératrice, côté basse tension avant l’entrée du transformateur. Tableau 1 – Données techniques extraites de la documentation du fabricant BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 4/18 Le fonctionnement d’une éolienne peut être décomposé selon les étapes suivantes : Étape* Remarques Conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique de rotation par l’intermédiaire des pales (1) de la turbine. La plupart des éoliennes possèdent un mécanisme d’orientation des pales (« pitch control ») permettant de modifier la force de portance créée par le vent et donc le couple transmis sur l’arbre. Ce dispositif est utilisé soit pour optimiser le rendement, soit pour limiter la puissance convertie lorsque le vent devient trop fort. Adaptation de la vitesse de l’arbre dit lent de la turbine à l’arbre rapide de la génératrice (2). Les éoliennes de grand diamètre tournent à des vitesses faibles qui nécessitent un multiplicateur mécanique lorsque la génératrice associée est de type asynchrone. Une attaque directe sans multiplicateur est possible avec les génératrices de type synchrone. Conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique par la génératrice (3). Les génératrices utilisées sont soit de type synchrone soit de type asynchrone. Des convertisseurs électriques de puissance peuvent être utilisés pour contrôler la vitesse de l’éolienne afin d’optimiser le transfert de puissance. Adaptation de l’énergie électrique par le transformateur de raccordement au réseau (4). Les valeurs efficaces nominales des tensions des génératrices sont généralement de 690 V. Un transformateur est donc nécessaire pour les raccorder au réseau de distribution HTA (20 kV). *Les nombres entre parenthèses correspondent aux annotations du schéma ci-dessous : 1 3 4 2 BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 5/18 Pour le site de Rampont, le bureau d’étude a préconisé l’implantation d’éoliennes fonctionnant à vitesse variable. Cette préconisation doit être validée par une étude comparative permettant d’estimer l’énergie annuelle produite. Le choix d’une génératrice asynchrone à double alimentation (MADA*) a d’autre part un impact direct sur le mode de raccordement des éoliennes au réseau et les perturbations potentiellement induites : l’étude et la modélisation de la chaîne de conversion électrique sont nécessaires au dimensionnement du transformateur et de l’appareillage de contrôle et de protection. *MADA = Machine Asynchrone à Double Alimentation La structure de la génératrice asynchrone à double alimentation (MADA) mise en œuvre dans l’éolienne G90 correspond au synoptique suivant : Schéma synoptique n° 1 – Structure d’une génératrice de type MADA Le contrôle de la puissance qui transite dans le rotor via les convertisseurs permet le contrôle du point de fonctionnement de l’éolienne afin d’optimiser la récupération de la puissance du vent. L’algorithme de recherche du point de fonctionnement optimal est communément appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking), il diffère selon la technologie des éoliennes et les méthodes des fabricants. Les performances des éoliennes G90 sont synthétisées par leur courbe de puissance : Arbre rapide Multiplicateur Génératrice MADA MA S ∼ = = ∼ Turbine Convertisseur MLI coté rotor Convertisseur MLI coté réseau Bus continu Transformateur 690V/20kV BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 14-EQPEM Page 6/18 Enjeux Le parc éolien du site de Rampont est en exploitation depuis maintenant trois ans. Pendant sa phase de conception, l’enjeu principal du bureau d’étude chargé du projet était de proposer un schéma d’implantation permettant d’assurer le retour sur investissement le plus rapide tout en respectant les contraintes environnementales et les possibilités de raccordement au réseau haute tension de distribution de l’énergie électrique : - la production annuelle d’énergie électrique doit être maximisée par rapport au potentiel éolien du site ; - la continuité de service et l’impact sur le réseau de raccordement doivent être optimisés. Problématiques Le bureau d’étude a donc dû définir et choisir : - la puissance nominale et le diamètre des éoliennes ; - le mode de fonctionnement en vitesse fixe ou variable des éoliennes ; - la technologie de la génératrice utilisée et des convertisseurs potentiellement associés : génératrice synchrone, asynchrone à cage, asynchrone à double alimentation ; - la topologie uploads/Industriel/ bts-e41.pdf