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Unformatted text preview: N° d’ordre : 162 Ecole Militaire Polytechnique d’Alger Ecole Centrale de Lille Thèse présentée en vue d’obtenir le grade de DOCTEUR En spécialité : Génie Electrique par Tarak GHENNAM DOCTORAT DELIVRE CONJOINTEMENT PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE ET L’ECOLE MILITAIRE POLYTECHNIQUE D’ALGER Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration dans la gestion d’un réseau électrique, Apports des convertisseurs multi niveaux au réglage des éoliennes à base de machine asynchrone à double alimentation Soutenue le 29/09/2011 devant le jury d’examen : M. F. BOUDJEMA Président Professeur à l’ENP d’Alger M. M.E.H. BENBOUZID Rapporteur Professeur à l’U. de Bretagne Occidentale, LBMS M. S. HADDAD Rapporteur Professeur à l’U. de Tizi Ouzou M. S. SAADATE Examinateur Professeur à l’U. Henri Poincaré Nancy 1, GREEN M. E.M. BERKOUK Co-directeur Professeur à l’ENP d’Alger M. B. FRANCOIS Co-directeur Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, L2EP M. K. ALIOUANE Invité Maitre de conférences à l’EMP d’Alger Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance (L2EP) de l’EC-Lille et au Laboratoire d’Electronique de Puissance de l’EMP, dans le cadre d'une co-tutelle de thèse Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille) 1 Remerciements Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué aux : • Laboratoire d’Electronique de Puissance de l’UER Electrotechnique à l’Ecole Militaire Polytechnique d’Alger (EMP), sous la direction du monsieur El Madjid BERKOUK (Professeur à l’ENP-Alger). • Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique de Puissance (L2EP) au sein de l’équipe « Réseau Electrique et Systèmes Energétiques » à l’Ecole Centrale de Lille, sous la direction du monsieur Bruno FRANCOIS (Professeur à l’EC-Lille). Cette thèse a été réalisée dans le cadre d'une convention de cotutelle entre l’Ecole Militaire Polytechnique d’Alger (EMP-Alger, Algérie) et l’Ecole Centrale de Lille (EC-Lille, France). Je tiens à remercier monsieur El Madjid BERKOUK d’avoir accepté de diriger mon travail. Je le remercie également pour ses qualités humaines et ses conseils précieux durant toutes les phases du travail, qu’il trouve ici ma grande reconnaissance. Je tiens à remercier également monsieur Bruno FRANCOIS tout d’abord pour ses qualités humaines et aussi pour ses efforts effectués pour la réussite de la convention de cotutelle. Je suis profondément reconnaissant envers lui pour sa disponibilité, ses conseils, ses critiques et sa rigueur scientifique qu’il m’a prodigué pour l’élaboration de ce travail. J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Fares BOUDJEMA, Professeur à l’ENP, pour l’honneur qui nous a fait en acceptant d’être président du jury. Mes remerciements vont également aux membres du jury pour l’honneur qu’ils m’ont fait en participant à l’évaluation de ce travail : - Monsieur M.E.H. BENBOUZID, professeur à l’Université de Bretagne Occidentale, - Monsieur S. SAADATE, professeur à l’Université Henri Poincaré Nancy 1, - Monsieur S. HADDAD, professeur à l’Université de Tizi Ouzou, - Monsieur K. ALIOUANE, maitre de conférences à l’EMP d’Alger. Et en particulier Messieurs M.E.H. BENBOUZID et S. HADDAD qui ont accepté la charge d’être rapporteurs. Mes vifs remerciements vont également à tout le personnel de l’UER Electrotechnique de l’EMP et en particulier messieurs D. MOUSSAOUI, D. MAROUANI, M. KHELIF et F. AKEL pour leurs aides. Je ne peux pas clore mes remerciements, sans rendre un grand hommage à toute l’équipe des enseignant-chercheurs du L2EP et de l’EC-Lille en particulier messieurs X. CIMETIERE, Ingénieur de recherche à l’EC-Lille, C. RYMEK et S. THOMY, Techniciens à l’EC-Lille et S. BREBAN, docteur à HEI de Lille pour leurs aides durant mes séjours au L2EP. 2 Je dédie ce travail : A la mémoire de mon père, A ma chère mère, qui na jamais cessé de prier pour moi, que dieu la protège, A ma chère femme, A mes chères petites filles « Tesnim » et « Meriem », A mes chers frères et sœurs, Aux prochains membres de ma petite famille « inchaa alah ». A tous mes amis. 3 Table des matières Introduction générale ........................................................................................ 13 Chapitre I. Etat de l’art sur la conversion éolienne ....................................... 19 I.1. Introduction .............................................................................................................. 19 I.2. L’aérogénérateur ...................................................................................................... 19 I.3. Types d’aérogénérateurs .......................................................................................... 20 I.3.1. Aérogénérateurs à axe vertical ......................................................................... 20 I.3.1.1. Aérogénérateurs à rotor de Darrieus ............................................................ 20 I.3.1.2. Aérogénérateurs à rotor de Savonius : ......................................................... 21 I.3.2. Aérogénérateurs à axe horizontal ..................................................................... 22 I.4. Principaux constituants d’une éolienne à axe horizontal ......................................... 22 I.5. Technologie d’éoliennes de grande puissance ......................................................... 23 I.5.1. Principe de conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique . 24 I.5.2. Les éoliennes à vitesse fixe .............................................................................. 24 I.5.3. Intérêt de la vitesse variable ............................................................................. 25 I.5.4. Eoliennes à vitesse variable commandées par le stator .................................... 27 I.5.5. Eolienne à vitesse variable à base de la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) ..................................................................................................... 28 I.5.5.1. Structure de la MADA ................................................................................. 29 I.5.5.2. Modes de fonctionnement de la MADA ...................................................... 29 I.5.5.3. Avantage des éoliennes à base de la MADA ............................................... 30 I.6. Topologie des convertisseurs utilisés pour les éoliennes de grande puissance ........ 32 I.6.1. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la MADA ....................... 33 I.6.2. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la machine asynchrone à cage ou à aimant permanent ............................................................................................. 34 I.6.3. Intérêt des convertisseurs multi-niveaux pour la conversion éolienne ............ 36 I.6.4. Domaine de fonctionnement des convertisseurs utilisés pour la génération éolienne .......................................................................................................................... 37 I.6.4.1. Utilisation de n convertisseurs à deux niveaux ............................................ 37 I.6.4.2. Utilisation d’un convertisseur à (n+1) niveaux............................................ 38 I.6.5. Tendance des futurs convertisseurs statiques ................................................... 39 I.7. Fermes éoliennes ...................................................................................................... 40 I.8. Contraintes de connexion des fermes éoliennes ....................................................... 41 I.9. Conclusion ................................................................................................................ 43 I.10. Référence du chapitre I ............................................................................................ 44 Chapitre II. Modélisation et dispositif de commande d’un système éolien à base de machine asynchrone à double alimentation ...................................... 48 II.1. Introduction .............................................................................................................. 48 II.2. Modèle de la turbine ................................................................................................. 49 II.2.1. Modèle des pales .............................................................................................. 49 II.2.2. Modèle du multiplicateur de vitesse................................................................. 50 II.2.3. Modèle de l’arbre mécanique ........................................................................... 51 4 II.2.4. Résultat de simulation et d’expérimentation du modèle de la turbine ............. 53 II.2.4.1. Résultats de simulation............................................................................. 53 II.2.4.2. Emulateur de la turbine éolienne .............................................................. 56 II.2.4.3. Résultats expérimentaux .......................................................................... 57 II.3. Modèle de la MADA ................................................................................................ 58 II.3.1. Modèle général de la MADA ........................................................................... 58 II.3.2. Modèle de la MADA avec orientation du flux satorique ................................. 59 II.4. Modèle du convertisseur d’électronique de puissance ............................................. 61 II.5. Modèle du bus continu ............................................................................................. 62 II.6. Modèle du filtre coté réseau ..................................................................................... 62 II.7. Modèle du nœud de connexion ................................................................................ 64 II.8. Dispositif de commande du système éolien ............................................................. 65 II.8.1. La REM du dispositif de commande du système éolien .................................. 65 II.8.2. Stratégie de commande MPPT ......................................................................... 66 II.8.2.1. Calcul du couple de référence .................................................................. 66 II.8.2.2. Contrôle de la MADA .............................................................................. 68 II.8.2.3. Résultats de simulation de la stratégie de commande MPPT................... 69 II.8.3. Stratégie de commande découplée des puissances active et réactive............... 72 II.8.3.1. Organisation de la commande du système éolien .................................... 73 II.8.3.2. Contrôle du convertisseur coté MADA .................................................... 74 II.8.3.3. Contrôle du bus continu ........................................................................... 76 II.8.3.4. Control du convertisseur coté réseau ....................................................... 77 II.8.3.5. Résultats de simulation............................................................................. 79 II.8.3.6. Résultats d’expérimentation ..................................................................... 81 II.9. Conclusion ................................................................................................................ 83 II.10. Références du chapitre II...................................................................................... 84 Chapitre III. Application des convertisseurs multiniveaux pour la commande d’un système éolien ........................................................................ 86 III.1. Introduction .......................................................................................................... 86 III.2. Modèle du système éolien avec des convertisseurs NPC à trois niveaux ............ 87 III.2.1. Modèle du convertisseur NPC à trois niveaux ................................................. 88 III.2.1.1. Structure et principe de fonctionnement .................................................. 88 III.2.1.2. Modèle instantané .................................................................................... 88 III.2.1.3. Modèle moyen du convertisseur NPC ...................................................... 91 III.2.1.4. Modèle vectoriel dans un repère orthogonal ............................................ 93 III.2.2. Modèle du bus continu ..................................................................................... 97 III.3. Dispositif de commande du système éolien ......................................................... 98 III.3.1. Organisation générale de la commande ........................................................... 98 III.3.2. Architecture de la commande du convertisseur ............................................. 100 III.3.3. Commande vectorielle directe du courant basée sur l’Hystérésis à Zones Carrées (HZCA) ............................................................................................................. 101 III.3.3.1. Principe de la commande ....................................................................... 101 III.3.3.2. Détection de la zone ............................................................................... 103 III.3.3.3. Détection du secteur ............................................................................... 103 III.3.3.4. Sélection du vecteur de tension .............................................................. 104 III.3.3.5. Equilibrage du diviseur capacitif............................................................ 106 III.3.3.6. Résultats de simulation de la commande du système éolien par l’HZCA ... .. .............................................................................................................. 110 5 III.3.3.7. Origine des sauts de niveaux des tensions de sortie du convertisseur ... 113 III.3.4. Commande vectorielle directe du courant basée sur l’Hystérésis à Zones Circulaires (HZCI) ......................................................................................................... 115 III.3.4.1. Principe de la commande ....................................................................... 115 III.3.4.2. Détection de la zone ............................................................................... 116 III.3.4.3. Détection du secteur ............................................................................... 117 III.3.4.4. Sélection du vecteur de tension .............................................................. 118 III.3.4.5. Equilibrage des tensions du diviseur capacitif ....................................... 120 III.3.4.6. Résultats de simulation........................................................................... 121 III.3.4.7. Résultats expérimentaux ........................................................................ 126 III.4. Conclusion .......................................................................................................... 130 III.5. Références du chapitre III .................................................................................. 132 Chapitre IV. Supervision d’une ferme éolienne, approche technique pour la répartition de la production électrique ......................................................... 135 IV.1. Introduction ........................................................................................................ 135 IV.2. Principales réglementations techniques pour la connexion d’une ferme éolienne au réseau électrique ............................................................................................................ 136 IV.2.1. Contrôle absolu de la puissance active ........................................................... 136 IV.2.2. Allocation d’une puissance de réserve ........................................................... 136 IV.2.3. Contrôle du gradient de puissance ................................................................. 137 IV.2.4. Contrôle de l’équilibre en puissance .............................................................. 137 IV.2.5. Contrôle de la puissance pour la protection du système ................................ 138 IV.2.6. Contrôle de la fréquence ................................................................................ 138 IV.2.7. Contrôle de la puissance réactive ................................................................... 140 IV.2.8. Contrôle de la tension à travers le contrôle de la puissance réactive ............. 141 IV.2.9. Maintien de la production lors des défaillances du réseau ............................. 142 IV.3. Etat de l’art sur les algorithmes de supervision des puissances active et réactive dans une ferme éolienne ..................................................................................................... 142 IV.3.1. Les algorithmes de supervision basés sur des régulateurs Proportionnel Intégral PI ........................................................................................................................ 143 IV.3.1.1. Algorithme pour le réglage du facteur de puissance de la ferme éolienne .. .. .............................................................................................................. 143 IV.3.1.2. Algorithme pour le réglage des puissances active et réactive de la ferme éolienne ................................................................................................................ 145 IV.3.2. Algorithmes basés sur des fonctions objectives ............................................. 145 IV.3.3. Algorithme basé sur la distribution proportionnelle des références de puissance .. ...................................................................................................................... 147 IV.4. Supervision centralisée des puissances active et réactive de la ferme éolienne. 149 IV.4.1. Configuration du système étudié .................................................................... 149 IV.4.2. L’unité de supervision centrale de la ferme ................................................... 150 IV.4.3. L’unité de supervision locale de l’éolienne.................................................... 151 IV.5. Analyse des échanges de puissance et estimation de la puissance réactive maximale de la MADA ...................................................................................................... 152 IV.5.1. Présentation .................................................................................................... 152 IV.5.2. Puissances active et réactive statoriques ........................................................ 153 IV.5.3. Puissances active et réactive rotoriques ......................................................... 155 IV.5.4. Puissances active et réactive totales ............................................................... 156 IV.5.5. Limitation de la puissance réactive par la contrainte du courant statorique .. 157 6 IV.5.6. Limitation de la puissance réactive par la contrainte du courant rotorique.... 158 IV.5.7. Limitation de la puissance réactive par la contrainte de la tension rotorique 160 IV.5.8. Limitation de la puissance réactive par la contrainte de la stabilité en régime permanent ....................................................................................................................... 163 IV.6. Résultats de simulation....................................................................................... 167 IV.7. Résultats expérimentaux de la supervision centralisée des puissances active et réactive dans une ferme éolienne ....................................................................................... 170 IV.8. Algorithme de supervision locale de la puissance réactive ................................ 173 IV.8.1. Principe........................................................................................................... 173 IV.8.2. Résultats expérimentaux .................................................................
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