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Nº d’ordre : 2213 Année 2005 Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique e

Nº d’ordre : 2213 Année 2005 Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT Unité Mixte de Recherche CNRS Nº 5828 THÈSE Présentée Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Adam MIRECKI Etude comparative de chaînes de conversion d’énergie dédiées à une éolienne de petite puissance Soutenue le 5 avril 2005 devant le jury composé de : MM. B. D. B. L. F. X. O. MULTON MATT ROBYNS MARROYO RICHARDEAU ROBOAM COURNIL Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Invité 2 3 Résumé L’étude présente un comparatif des architectures et des stratégies de gestion d’énergie dédiées à un système éolien basé sur les voilures de type Savonius (VAWT). Un dispositif MPPT doit être introduit en vue d’obtenir un rendement énergétique maximal. Un pilotage direct en couple ou en vitesse ou indirect par le contrôle du courant du côté du bus continu est possible. En supposant la caractéristique de voilure inconnue, une recherche par logique floue est envisagée. Afin de minimiser les coûts de la chaîne de conversion statique des structures simples (redresseur à diodes, hacheur dévolteur) sont étudiées et comparées avec un montage reposant sur le redresseur MLI. Un banc d’essais dédié a été élaboré en parallèle des modélisations/simulations système. Les comparaisons énergétiques à des vitesses de vent variables ont alors permis d’évaluer les différentes structures et stratégies de pilotage. Mots clés : - Eolien - MPPT - Modélisation - Gestion d’énergie - Architecture Abstract This study presents a comparison of architectures and strategies of energy management dedicated to VAWT turbines such as Savonius. A Maximum Power Point Tracking must be implemented in order to optimize the energetic behavior. A torque or a speed control, or an indirect control of the DC bus current is possible. In the fact that the wind turbine characteristic is unknown, an operational research based on fuzzy logic is proposed. Aiming to minimize the cost of the static conversion structure, simple structures (diode bridge inverter, associated with DC-DC chopper) are analyzed and compared with a system based on a PWM Voltage Source Inverter. A test bench has been realized in the meantime as a system simulation. Comparisons of the provided energy are made for different wind speeds allowing to evaluate the performance of each structure and of the control strategies. Keywords: - Wind turbine - MPPT - Model - Energy management - Architectures 4 5 Avant-Propos Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (L.E.E.I), Unité Mixte de Recherche n° 5828 de Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT) de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Je tiens, tout d’abord à remercier M. Yvon CHERON, Directeur de Recherche au CNRS et directeur du LEEI, de m’avoir accueilli dans son laboratoire, M. Xavier ROBOAM, Chargé de Recherche au CNRS et responsable du groupe « Système » du L.E.E.I. d’avoir accepté la direction scientifique de ces travaux de recherche. Je lui exprime toute ma gratitude pour son expérience, son art de la multi - compétence, son soutien inconditionnel et ses qualités humaines, M. Frédéric RICHARDEAU, Chargé de Recherche au CNRS pour avoir accepter la lourde tâche de co- diriger ma thèse, de m’avoir guidé dans les méandres de l’électronique de puissance et pour ses idées ingénieuses. Je remercie tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mes travaux : M. Bernard MULTON, Professeur des Universités, directeur du département de Mécatronique à l’ENS Cachan Antenne de Bretagne, pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury de thèse, M. Benoît ROBYNS, Professeur à l’Ecole des Hautes Etudes d'Ingénieur à Lille, responsable de l'équipe Réseaux Electriques et Systèmes Electro-énergétiques au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, pour avoir accepter d’être le rapporteur de ce mémoire et pour sa participation au jury, M. Daniel MATT, Maître de Conférences, Habilité à Diriger des Recherches au Laboratoire d’Electrotechnique de Montpellier à l’Université Montpellier II, pour la participation au jury en tant que rapporteur, M. Luis MARROYO, Professeur à l’Université Publique de Navarre (UPNA) - Espagne, pour sa participation au jury, sa gentillesse et sa bonne humeur, M. Olivier COURNIL, de EDF R&D, Département Technologie et Economie des Systèmes Electriques, Groupe Systèmes d’Alimentations Electriques Innovants, pour sa participation à mon jury de thèse et pour le regard industriel qu’il a porté sur ce travail. Merci à M. G. Harran Maître de Conférence à l’Institut de Mécanique des Fluides à Toulouse pour la collaboration dans le cadre des expériences à la soufflerie S1. Merci à Franck Moradei et Philippe Fernandez de leur aide précieux. Je remercie l’ensemble de l’équipe scientifique de LEEI pour la passion, dynamisme et enthousiasme dans le travail de recherche ainsi que pour les bons moments passés ensemble au caféteria. 6 Je tiens à exprimer ma reconnaissance à tout le personnel du LEEI et en particulier : Mesdames C. BODDEN, J. PIONNIE, V. SCHWARTZ, F. MEBREK, Ch. CHARRON, Messieurs J.B. DALZOVO, J. M. BLAQUIERE, D. GINIBRIERE, O. DURRIEU pour leurs compétences, leur disponibilité et leur gentillesse. Mes remerciements vont aussi à l’ensemble de mes camarades et plus particulièrement à : Jérémi Regnier, Afef Ben Abdelghani, Silverio Avarez, Houssem Demni, Grace Gandanegara, Lauric Garbuio, Paul-Etienne Vidal, Wojciech Szlabowicz, Jean-Philippe Salanne, Anne-Marie Lienhardt, Olivier Langlois, ainsi qu’à : Dominique Alejo, Sid-Ali Randi, Staszek Abramik, Julien van der Merwe, Przemek Perlinski, Sylvain Boux de Casson, Wioslo, Strusiu, Maciek Freza et Eric Bru. Merci à mes professeurs et à mes collègues de l’Ecole Polytechnique de Gdansk qui m’ont accompagnés dans mon parcours. Tout particulièrement à M. Piotr Chrzan et M. Mieczyslaw Ronkowski. Merci à toutes les personnes que je n’ai pas citées et qui ont de près ou de loin participé à la réalisation de ce travail. Merci pour leur sympathie et simplement pour le plaisir que j’ai eu à les côtoyer quotidiennement. Je voudrais remercier tout particulièrement mes parents ainsi que tous les membres de ma famille de leur soutien et leurs encouragements tout au long de mon cursus. Merci à mon épouse Marta de m’avoir accompagné et de m’avoir supporté dans ce travail. 7 … A mes enfants Kaya et Daniel ... Sommaire 9 Sommaire Introduction générale............................................................................................................... 1 1 Etat de l’art et situation de l’éolien dans le contexte des énergies renouvelables ....... 7 1.1 Génération d’énergie renouvelable .......................................................................... 10 1.1.1 Génération de la chaleur....................................................................................... 12 1.1.1.1 Thermo solaire.............................................................................................. 12 1.1.1.2 Géothermie................................................................................................... 12 1.1.1.3 Biomasse ...................................................................................................... 13 1.1.2 Génération d’électricité........................................................................................ 13 1.1.2.1 Photovoltaïque.............................................................................................. 13 1.1.2.2 Hydraulique.................................................................................................. 14 1.1.2.3 Energie de la mer.......................................................................................... 15 1.1.2.4 Production éolienne...................................................................................... 15 1.2 Etat de l’art, principes et éléments constitutifs de l’éolien ...................................... 16 1.2.1 Historique de l’éolien........................................................................................... 16 1.2.2 Notions théoriques sur l’éolien ............................................................................ 16 1.2.2.1 Loi de Betz – notions théoriques.................................................................. 16 1.2.2.2 Distributions de Weibull .............................................................................. 17 1.2.3 Différentes types d’aérogénérateurs – caractéristiques Cp................................... 19 1.2.3.1 Axe horizontal (HAWT) .............................................................................. 19 1.2.3.2 Axe vertical (VAWT)................................................................................... 21 1.2.4 Vitesse variable et l’éolien ................................................................................... 23 1.2.5 Machines électriques et systèmes de conversion d’énergie éolienne................... 24 1.2.5.1 Asynchrones à cage (MAS).......................................................................... 24 1.2.5.2 Machines asynchrones à double alimentation (MADA).............................. 25 1.2.5.3 Génératrices synchrones............................................................................... 26 1.2.6 Modes de couplage au réseau et réseaux autonomes ........................................... 28 1.2.7 Le « petit éolien » : caractéristiques, secteurs d’application et exemples de réalisation ......................................................................................................................... 29 1.2.8 Etudes en cours à l’INPT sur le « petit éolien »................................................... 32 1.2.8.1 Etudes des effets de concentration du vent .................................................. 33 1.2.8.2 Optimisation de la forme de voilure d’une Savonius................................... 34 1.3 Conclusion................................................................................................................ 35 2 Modélisation et caractérisation du système .................................................................. 37 2.1 Moyens d’étude mis en œuvre ................................................................................. 39 2.1.1 Approche simulation ............................................................................................ 40 2.1.2 Approche expérimentale - Banc de test................................................................ 40 2.1.3 Modélisation de la vitesse du vent ....................................................................... 43 2.1.4 Modélisation de la voilure.................................................................................... 43 2.1.4.1 Mise en évidence du besoin de la partie négative de la courbe Cp.............. 46 2.1.4.2 Simulation informatique de la voilure.......................................................... 47 2.1.4.3 Réalisation d’un simulateur analogique de la turbine éolienne.................... 48 Sommaire 10 2.2 Machine synchrone à aimants permanents............................................................... 49 2.2.1 Caractérisation de la machine WR-02.................................................................. 49 2.2.2 Modèle de la machine sous Psim ......................................................................... 50 2.3 Pont de diodes .......................................................................................................... 51 2.3.1 Modèle analytique................................................................................................ 51 2.3.1.1 Rappels sur le pont de diodes. Cas d'une charge et d'une source idéalisées.52 2.3.1.2 Imperfections de la source. Prise en compte de l’empiétement. .................. 53 2.3.2 Empiétements – effet négatif des inductances machine – déclassement de la génératrice ........................................................................................................................ 58 2.3.3 Facteur de puissance – déclassement du pont de diodes...................................... 61 2.3.4 Filtrage du courant redressé – rôle positif des inductances machine ................... 63 2.3.5 Extension des résultats pour des systèmes de plus grande puissance .................. 64 2.3.6 Modèle de simulation Psim.................................................................................. 66 2.3.7 Influence de l’impédance de la génératrice sur les limitations du fonctionnement à puissance optimale dans un circuit non commandé ...................................................... 67 2.3.7.1 Tension bus continu variable........................................................................ 68 2.3.7.2 Tension bus continu constante ..................................................................... 76 2.4 Convertisseurs DC/DC pour l’adaptation d’impédance........................................... 80 2.4.1 Commande du hacheur dévolteur......................................................................... 80 2.4.2 Hacheur en pont uploads/Science et Technologie/ eolienne-de-petite-puissance-these-2005.pdf