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Article ENR810, 2eme Séminaire scientifique et technique, Énergies renouvelable

Article ENR810, 2eme Séminaire scientifique et technique, Énergies renouvelables, novembre 2012, Québec 1 Article ENR810 2eme Séminaire scientifique et technique Énergies renouvelables Novembre 2012, Québec ENR810-2012 / 12 Conversion de l’énergie électrique à partir des microturbines Hessini Mohamed Karim Edwin Andrés Sánchez Serna mohamed-karim.hessini.1@ens.etsmtl.ca edwin.andres-sanchez.serna.1@ens.etsm.ca Génie Électrique/Gr01 Génie Électrique/Gr01 Lamine Sabri lamine.sabri.1@ens.etsmtl.ca Génie Mécanique/Gr01 Abstract— Micro turbine generation is currently attracting lot of attention to meet users need in the distributed generation market due to the deregulation of electric power utilities; advancement in technology, environmental concerns. The objective of this paper is to present one of such generating system that is capable of acting as a backup generator. This paper presents, modeling and simulation of (MTG) system, and integration of this renewable (Biogas) source of energy in the grid. A brief description of the overall system is given and mathematical models for the microturbine and permanent magnet synchronous generator are presented. The developed models are simulated in MATLAB/Simulink®. Finally a prefeasibility study with Retscreen® ensures that the uses of biofuel could be very advantageous. Mots-clés— Système de génération avec microturbine (MTG), contrôle de température, contrôle de vitesse, système de combustion, générateur synchrone a aiment permanent (GSAP), système turbine-compresseur 1. INTRODUCTION L’utilisation des Systèmes de génération à base de microturbines (MTG), dans les réseaux de distribution est très fréquentes à cause de leur couts, dimensions, haute efficacité (avec récupérateur), et aussi leur temps de réponse réduit par rapport aux turbines a gaz conventionnel. Dans cet article est présenté la modélisation et la simulation d’une MTG a un seul axe sans récupérateur de chaleur, sans cogénération .le système comprend un GSAP entrainé par une microturbine .une brève description du système et un modèle mathématique de la MTG, ainsi que les résultats de la simulation pour différents niveaux de charge sont présenté dans les prochains paragraphes. Dans la dernière section de cet article on présentera une étude comparative entre l’utilisation de deux différents types de combustible, les couts engendrent, les émissions de GES ainsi que la rentabilité de chaque projet. 2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Il est basé sur le même principe que les turbines a gaz conventionnelles [1], mais avec des éléments mécaniques simplifiés, à cet égard, il y’a qu'une seule pièce mobile dans toute la machine. En régime permanent la vitesse de rotation peut varier entre 45000 et 96000 tr/min [2]. Le cycle de fonctionnement est basé sur un cycle Brayton ouvert (cycle de turbine à gaz simple) pendant lequel l’énergie thermique résultante de la combustion d’un gaz ou d’un liquide est convertie en énergie mécanique qui produira un couple sur l'arbre de la microturbine qui entrainera à son tour le générateur électrique pour la production électrique. Élevée d'environ 300 °C, pour être utilisé dans un échangeur de chaleur pour être utilisé comme une source d'énergie Figure 1: Schéma de principe de fonctionnement Les systèmes de cogénération permettent d'obtenir des rendements énergétiques plus élevés que ceux obtenus à partir Article ENR810, 2eme Séminaire scientifique et technique, Énergies renouvelables, novembre 2012, Québec 2 de la production séparée d'électricité et de chaleur, 80% de rendement de plus dans certains cas [2],ce type de MTG a un impact moindre sur l'environnement que les procédés classiques thermiques, à cause de la haute performance de ce processus, en particulier les installations de cogénération qui utilisent du biogaz comme carburant. 3. BIOGAZ Le biogaz contient un pourcentage élevé de méthane, CH4 (50-70%), ce qui l'expose à la récupération d'énergie par combustion dans microturbines [3]. Le biogaz est le produit gazeux de la digestion anaérobie des composés organiques. En raison de sa haute teneur en méthane, il possède un pouvoir calorifique moindre (50% de moins) que celui du gaz naturel. Sa teneur en méthane est de 60 %, son pouvoir calorifique est d'environ 5.500 kcal/m 3 (6, 4 kWh/m 3). Figure 2: Pouvoir calorifique du Biogaz 4. CONTRÔLES DES MICROTURBINES La modélisation des MTG n’est pas chose aisée à faire, en effet il n’existe pas un modèle unique. Lors de cet article on a pris pour exemple une MTG Capston qui est asservie en vitesse par un contrôleur automatique (DPC) ce module gère l’échange de puissance, le démarrage ainsi que la protection. On a pris pour hypothèse qu’a une température donnée, le système était a volume et a pression constante, aussi les pertes de chaleur étaient négligeables et il n’y’avait pas de stockage d’énergie interne. La MTG commerciale moderne opère avec un cycle Brayton ouvert avec récupération de chaleur. 5. STRUCTURE MÉCANIQUE La structure du contrôleur d’un micro turbine dépendra du fait que l’unité soit équiper d’une structure a un seul ou bien deux axes. Elles peuvent être classifiées selon le nombre d'axes, selon le cycle (sans ou bien avec récupération de chaleur), avec refroidissement entre les étages de compression ou bien avec réchauffage entre les étages de détente. Sur les turbines sans récupérateur l’air comprime est mixer avec le combustible (biogaz) le mélange est bruler dans des conditions de pression constante, le gaz chaud résultant va se détendre à travers la turbine ce qui va générer une énergie mécanique (mouvement rotationnel sur l’arbre qui relie le compresseur et la machine synchrone avec la turbine). Ces MTG possèdent un faible rendement, en revanche leur cout d’acquisition n’est pas élevé, par contre leur efficacité l’est, et en plus une quantité de chaleur est disponible pour une cogénération. Les unités possèdent des échangeurs de chaleur gaz de combustion/air (récupérateur) permettent d’augmenter les rendements des MTG en transférant la chaleur des gaz d’échappement de la MTG a l’air comprimé entrant dans la chambre de combustion. Dans le but d’établir une approche rationnelle dans la conception d’un contrôleur, les principes suivants doivent être pris en considération. En régime permanent la puissance thermique est idéalement égale a la puissance électrique fournit par le générateur au réseau le contrôleur doit être conçu de façons a ce que la fréquence et la tension générée demeurent constantes égales a celle du réseau. Lors d’un changement de charge un asservissement en vitesse doit être appliquer sur le rotor de la MTG dans le but de soutenir la tension et la fréquence parce que les composantes d’une MTG sont relativement petites il n’a ya pas beaucoup d’énergie stockée dans les masses rotatives de la MTG (grande inertie) ce qui amènera un changement de vitesse rapide, le contrôleur de vitesse voit ce changement et régule le débit d’admission du combustible corrigeant ainsi la vitesse jusqu'à ce que la consigne de vitesse soit atteinte . Un temps de réponse court est préconisé afin d’éviter le décrochage du générateur à aimant permanent. 6. STRUCTURE ÉLECTRIQUE Dans cet article on a axé notre étude sur une MTG munie d’un seul axe ou la turbine est directement couplé au compresseur et au moteur synchrone a aimant permanent l’avantage de cette disposition est que la vitesse peut atteindre les 96 000 tr/min, l’autre avantage est que la taille de la machine décroit proportionnellement avec l’augmentation de la vitesse. Dans la machine synchrone à aimants permanents le champ magnétique d’excitation du rotor est fourni par des aimants permanents comme le neodymium-iron-boron (NdBFe)ou le Samarium-cobalt magnets qui sont très utilisés pour des applications a grande vitesse [6],[7].l’absence de pertes joules augmente le rendement de la machine. En fonctionnement alternateur, la vitesse de la machine varie de 0 à 96 000 tr/min, génère une tension composée variant de 0 à 480 Volts avec une fréquence allant de 0 à 1600 Hz, lors du démarrage, la machine fonctionne en mode moteur. Le Convertisseur de fréquence est constitué à base d'IGBT (Transistor bipolaire a gâchette isolée) le choix de ce type d’interrupteurs est dû au fait qu’ils possèdent des rendements élevés et commutent a des fréquences de commutations assez élevées, pour le contrôle des MTG il existe deux types : Le convertisseur bidirectionnel est constitué de deux ponts actifs afin d'assurer l'échange des flux d'énergie dans les deux sens avec le réseau. Le convertisseur côté machine est utilisé au démarrage en tant qu’onduleur afin d'accélérer la turbine pour qu'elle atteigne 50 000 tr/min, vitesse à laquelle la turbine commence à produire de l'énergie. Le convertisseur côté réseau fonctionne en mode redresseur et permet de Article ENR810, 2eme Séminaire scientifique et technique, Énergies renouvelables, novembre 2012, Québec 3 soutirer au réseau la puissance nécessaire au démarrage et transmettre la puissance produite par la MTG, en phase avec la fréquence réseau, tout en maintenant la tension du bus DC constante. L’utilisation de ce convertisseur de puissance procure aussi d’autres avantages, comme l’élimination du réducteur de vitesse et du système de démarrage dont est munie la conception a deux axes. Figure 3:Convertisseur de puissance Les convertisseurs unidirectionnels requirent des composants standard, des diodes sont utilisée pour le redressement tandis que l’étage onduleur est compose d’IGBT, associe a un système auxiliaire de démarrage mécanique sur l’arbre dans le but d’amener la vitesse de la turbine à la vitesse optimale de fonctionnement, un certain nombre de turbines commercialise présentement intègre ce genre de convertisseur pour des raisons de couts et de simplicité. Pour ce qui uploads/Management/ travaux-final-article-enr-810-conversion-de-l-x27-energie-electrique-a-partir-des-microturbines-groupe-12-novembre-2012.pdf