Support de cours : Introduction à l’Optimisation Combinatoire
CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN SYSTEME DE …Une grande partie du parc éolien actuel est...
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CONTRIBUTION A LrsquoOPTIMISATION DrsquoUNSYSTEME DE CONVERSION EOLIEN POUR UNE
UNITE DE PRODUCTION ISOLEEMiguel Lopez
To cite this versionMiguel Lopez CONTRIBUTION A LrsquoOPTIMISATION DrsquoUN SYSTEME DE CONVERSIONEOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE Energie eacutelectrique Universiteacute ParisSud - Paris XI 2008 Franccedilais tel-00344978
THEgraveSE DE DOCTORAT
SPECIALITE PHYSIQUE
Ecole Doctorale laquo Sciences et Technologies de lrsquoInformation des
Teacuteleacutecommunications et des Systegravemes raquo
Preacutesenteacutee par
Miguel LOPEZ
Sujet
CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUN SYSTEME DE CONVERSION
EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE
i
Sommaire
Introduction 1
1 Systegravemes de Conversion Eoliens 5
11 Introduction 5
111 Bilan Energeacutetique Mondial 6
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire 6
1112 La Production drsquoElectriciteacute 6
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire 8
1114 lrsquoIndustrie 8
1115 Le Transport 9
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique 9
112 Energie et Environnement 9
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement 10
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute 11
114 Les Energies Renouvelables 12
1141 Hydraulique 14
1142 Photovoltaiumlque 15
1143 lrsquoEolien 15
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables 16
12 Classement des Turbines Eoliennes 18
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT) 18
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT) 20
13 Boite de Vitesses 21
14 Geacuteneacuterateurs 22
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG) 23
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG) 23
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG) 23
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG) 25
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG) 25
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG) 26
143 Autres Geacuteneacuterateurs 26
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes 27
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute 30
151 Types de Stockage drsquoEnergie 30
16 Applications des Turbines Eoliennes 31
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne 31
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne 33
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel 36
ii
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes 37
1614 Systegravemes et Expeacuterience 39
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides 40
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux 43
1621 Systegravemes Distribueacutes 43
1622 Parcs Eoliens 44
17 Tendances 46
171 Systegraveme Meacutecanique 46
172 Systegraveme Electrique 47
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications 47
18 Conclusion 48
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 49
Nomenclature 49
21 Introduction 50
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de Commande 50
221 Modegravele du Systegraveme 51
2211 Systegraveme Meacutecanique 52
2212 Systegraveme Electrique 54
2213 Paramegravetres du Systegraveme 59
23 Problegraveme drsquoOptimisation 63
231 Contraintes 64
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation 66
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique 71
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation 72
241 Reacutesultats 76
25 Conclusion 80
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 81
31 Introduction 81
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes 83
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor 84
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) 86
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control) 87
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control) 88
3214 Commande drsquoOrientation 88
322 Commande du Systegraveme Electrique 89
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Ajustables 90
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Fixes 92
3223 Structure de Puissance Proposeacutee 97
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee 99
3225 Reacutesultats 105
34 Conclusion 112
iii
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance 113
Nomenclature 113
41 Introduction 114
42 Meacutethode Proposeacutee 115
421 Calcul des Pertes 116
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121
422 Pertes par Commutation 123
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124
43 Reacutesultats 125
431 Pertes dans le Redresseur 126
432 Pertes du Hacheur 129
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode 129
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130
433 Pertes de lrsquoOnduleur 136
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141
441 Description du Systegraveme 141
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143
45 Conclusion 147
Conclusions et Perspectives 149
Reacutefeacuterences Bibliographiques 153
Annexes 157
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute
THEgraveSE DE DOCTORAT
SPECIALITE PHYSIQUE
Ecole Doctorale laquo Sciences et Technologies de lrsquoInformation des
Teacuteleacutecommunications et des Systegravemes raquo
Preacutesenteacutee par
Miguel LOPEZ
Sujet
CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUN SYSTEME DE CONVERSION
EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE
i
Sommaire
Introduction 1
1 Systegravemes de Conversion Eoliens 5
11 Introduction 5
111 Bilan Energeacutetique Mondial 6
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire 6
1112 La Production drsquoElectriciteacute 6
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire 8
1114 lrsquoIndustrie 8
1115 Le Transport 9
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique 9
112 Energie et Environnement 9
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement 10
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute 11
114 Les Energies Renouvelables 12
1141 Hydraulique 14
1142 Photovoltaiumlque 15
1143 lrsquoEolien 15
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables 16
12 Classement des Turbines Eoliennes 18
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT) 18
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT) 20
13 Boite de Vitesses 21
14 Geacuteneacuterateurs 22
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG) 23
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG) 23
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG) 23
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG) 25
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG) 25
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG) 26
143 Autres Geacuteneacuterateurs 26
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes 27
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute 30
151 Types de Stockage drsquoEnergie 30
16 Applications des Turbines Eoliennes 31
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne 31
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne 33
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel 36
ii
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes 37
1614 Systegravemes et Expeacuterience 39
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides 40
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux 43
1621 Systegravemes Distribueacutes 43
1622 Parcs Eoliens 44
17 Tendances 46
171 Systegraveme Meacutecanique 46
172 Systegraveme Electrique 47
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications 47
18 Conclusion 48
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 49
Nomenclature 49
21 Introduction 50
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de Commande 50
221 Modegravele du Systegraveme 51
2211 Systegraveme Meacutecanique 52
2212 Systegraveme Electrique 54
2213 Paramegravetres du Systegraveme 59
23 Problegraveme drsquoOptimisation 63
231 Contraintes 64
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation 66
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique 71
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation 72
241 Reacutesultats 76
25 Conclusion 80
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 81
31 Introduction 81
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes 83
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor 84
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) 86
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control) 87
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control) 88
3214 Commande drsquoOrientation 88
322 Commande du Systegraveme Electrique 89
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Ajustables 90
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Fixes 92
3223 Structure de Puissance Proposeacutee 97
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee 99
3225 Reacutesultats 105
34 Conclusion 112
iii
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance 113
Nomenclature 113
41 Introduction 114
42 Meacutethode Proposeacutee 115
421 Calcul des Pertes 116
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121
422 Pertes par Commutation 123
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124
43 Reacutesultats 125
431 Pertes dans le Redresseur 126
432 Pertes du Hacheur 129
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode 129
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130
433 Pertes de lrsquoOnduleur 136
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141
441 Description du Systegraveme 141
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143
45 Conclusion 147
Conclusions et Perspectives 149
Reacutefeacuterences Bibliographiques 153
Annexes 157
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute
i
Sommaire
Introduction 1
1 Systegravemes de Conversion Eoliens 5
11 Introduction 5
111 Bilan Energeacutetique Mondial 6
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire 6
1112 La Production drsquoElectriciteacute 6
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire 8
1114 lrsquoIndustrie 8
1115 Le Transport 9
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique 9
112 Energie et Environnement 9
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement 10
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute 11
114 Les Energies Renouvelables 12
1141 Hydraulique 14
1142 Photovoltaiumlque 15
1143 lrsquoEolien 15
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables 16
12 Classement des Turbines Eoliennes 18
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT) 18
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT) 20
13 Boite de Vitesses 21
14 Geacuteneacuterateurs 22
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG) 23
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG) 23
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG) 23
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG) 25
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG) 25
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG) 26
143 Autres Geacuteneacuterateurs 26
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes 27
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute 30
151 Types de Stockage drsquoEnergie 30
16 Applications des Turbines Eoliennes 31
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne 31
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne 33
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel 36
ii
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes 37
1614 Systegravemes et Expeacuterience 39
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides 40
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux 43
1621 Systegravemes Distribueacutes 43
1622 Parcs Eoliens 44
17 Tendances 46
171 Systegraveme Meacutecanique 46
172 Systegraveme Electrique 47
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications 47
18 Conclusion 48
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 49
Nomenclature 49
21 Introduction 50
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de Commande 50
221 Modegravele du Systegraveme 51
2211 Systegraveme Meacutecanique 52
2212 Systegraveme Electrique 54
2213 Paramegravetres du Systegraveme 59
23 Problegraveme drsquoOptimisation 63
231 Contraintes 64
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation 66
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique 71
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation 72
241 Reacutesultats 76
25 Conclusion 80
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 81
31 Introduction 81
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes 83
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor 84
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) 86
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control) 87
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control) 88
3214 Commande drsquoOrientation 88
322 Commande du Systegraveme Electrique 89
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Ajustables 90
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Fixes 92
3223 Structure de Puissance Proposeacutee 97
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee 99
3225 Reacutesultats 105
34 Conclusion 112
iii
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance 113
Nomenclature 113
41 Introduction 114
42 Meacutethode Proposeacutee 115
421 Calcul des Pertes 116
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121
422 Pertes par Commutation 123
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124
43 Reacutesultats 125
431 Pertes dans le Redresseur 126
432 Pertes du Hacheur 129
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode 129
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130
433 Pertes de lrsquoOnduleur 136
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141
441 Description du Systegraveme 141
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143
45 Conclusion 147
Conclusions et Perspectives 149
Reacutefeacuterences Bibliographiques 153
Annexes 157
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute
ii
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes 37
1614 Systegravemes et Expeacuterience 39
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides 40
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux 43
1621 Systegravemes Distribueacutes 43
1622 Parcs Eoliens 44
17 Tendances 46
171 Systegraveme Meacutecanique 46
172 Systegraveme Electrique 47
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications 47
18 Conclusion 48
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 49
Nomenclature 49
21 Introduction 50
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de Commande 50
221 Modegravele du Systegraveme 51
2211 Systegraveme Meacutecanique 52
2212 Systegraveme Electrique 54
2213 Paramegravetres du Systegraveme 59
23 Problegraveme drsquoOptimisation 63
231 Contraintes 64
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation 66
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique 71
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation 72
241 Reacutesultats 76
25 Conclusion 80
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 81
31 Introduction 81
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes 83
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor 84
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) 86
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control) 87
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control) 88
3214 Commande drsquoOrientation 88
322 Commande du Systegraveme Electrique 89
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Ajustables 90
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales
Fixes 92
3223 Structure de Puissance Proposeacutee 97
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee 99
3225 Reacutesultats 105
34 Conclusion 112
iii
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance 113
Nomenclature 113
41 Introduction 114
42 Meacutethode Proposeacutee 115
421 Calcul des Pertes 116
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121
422 Pertes par Commutation 123
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124
43 Reacutesultats 125
431 Pertes dans le Redresseur 126
432 Pertes du Hacheur 129
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode 129
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130
433 Pertes de lrsquoOnduleur 136
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141
441 Description du Systegraveme 141
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143
45 Conclusion 147
Conclusions et Perspectives 149
Reacutefeacuterences Bibliographiques 153
Annexes 157
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute
iii
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance 113
Nomenclature 113
41 Introduction 114
42 Meacutethode Proposeacutee 115
421 Calcul des Pertes 116
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121
422 Pertes par Commutation 123
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124
43 Reacutesultats 125
431 Pertes dans le Redresseur 126
432 Pertes du Hacheur 129
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode 129
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130
433 Pertes de lrsquoOnduleur 136
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141
441 Description du Systegraveme 141
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143
45 Conclusion 147
Conclusions et Perspectives 149
Reacutefeacuterences Bibliographiques 153
Annexes 157
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute
Introduction
La croissance constante de la consommation drsquoeacutenergie sous toutes ses formes et les
effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles
sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de
lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete
Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles Il est techniquement et
eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de
lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre
le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et
renouvelables
Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a
quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production
drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au
reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de
distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont
maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee
par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des
reacuteseaux eacutelectriques de puissance
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs
pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le
marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de
deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres
2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies
dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et
industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes
utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces
technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et
deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs
siegravecles
De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est
lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer
un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts
jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des
turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les
turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des
transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes
Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau
public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se
deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes
Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme
lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou
difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de
lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique
qursquoeacuteconomique
Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la
caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel
photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les
zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de
deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures
Introduction 3
de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du
vent
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la
conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les
sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit un bilan sur les formes drsquoeacutenergies les plus
consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes
environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique
vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les
caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie
Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant
par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de
geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les
applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un
reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances
et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute
Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de
lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute
drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal
une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un
pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes
la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations
meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme
drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite meacutecanique et de la tension de batterie pour
recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La
puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction
4 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec
contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour
lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne
Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur
application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine eacuteolienne
par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette
reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance
introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation
de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon
agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts
Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs
statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour
contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes
considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de
production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs
eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour
lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base
horaire avec une autre approche baseacutee sur un principe de rendement constant en utilisant
un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est
alors deacutemontreacutee
1 Systegravemes de Conversion Eoliens
11 Introduction
Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon
niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les
ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements
technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en
eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre
lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006
Chen and Blaabjerg 2006)
LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une
puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and
Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW
Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale Les Pays-Bas le Royaume-Uni et
lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper
consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen
and Blaabjerg 2006)
Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il
eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux
qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un
marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques
6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie
eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment
employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes
y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les
turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux
systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont
recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont
eacutevoqueacutees
111 Bilan Energeacutetique Mondial
Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les
zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer
leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement
instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable
eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies
alternatives (Mons 2005)
1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire
laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de
consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans
le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11
montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute
1112 La Production drsquoElectriciteacute
Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave
la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones
geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit
eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7
production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est
nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins
polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la
principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en
particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute
eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)
Energie Primaire
Production deacutelectriciteacute (29 )
Peacutetrole9Gaz Naturel
19
Uranium16
Autres20
Charbon36
Residentiel et Tertiaire (26 )
Autres34
Electriciteacute14
Gaz Naturel19
Peacutetrole19
Charbon14
Industrie (25 )
Gaz Naturel18
Electriciteacute17
Autres17
Peacutetrole17
Charbon31
Transport (16 )
Peacutetrole96
Gaz4
Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure
actuelle
Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest
drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est
toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et
des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire
pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)
8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont
surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains
pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et
aux cours drsquoeau
1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important
de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source
laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie
principalement Dans ce secteur le chauffage constitue le premier usage et il convient
de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et
surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au
premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour
le chauffage La biomasse est aussi largement utiliseacutee La population des pays en voie
de deacuteveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages
domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique
principalement)
1114 lrsquoIndustrie
Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus
eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves
largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en
Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie
neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits
deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 9
1115 Le Transport
Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au
peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les
cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas
reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant
1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique
En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une
source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications
sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La
forte progression du gaz naturel qui se substitue peu agrave peu au charbon dans la
production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois
tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production
drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires
112 Energie et Environnement
La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever
lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave
lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins
eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble
deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que
la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi
bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs
10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement
La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de
lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la
consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en
2000 (Mons 2005)
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions
humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere
augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu
du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont
la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par
lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie
charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)
Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du
reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe
intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute
depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines
Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature
moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge
drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)
Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases
de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la
deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les
principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans) la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire la hausse du
niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)
Les Mareacutees Noires
Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres
pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est
jalonneacutee de mareacutees noires
Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les
activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des
responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de
nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution
qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes
notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika
Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en
mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux
deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de
filtration du fioul lourd
113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute
Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et
distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait
ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en
plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution
commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales
plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans
la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur avec toutefois un
succegraves agrave deacutemontrer
12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son
utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et
de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines
piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz
En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune
transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment
des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie
centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute
114 Les Energies Renouvelables
Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte
croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera
baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux
eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en
œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur
soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir
drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire
des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des
systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)
Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son
utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre
de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de
lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires
Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par
lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 13
animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles
constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles
eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans
les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees
aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors
la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique
respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire
Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques
eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des
ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables
De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux
eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes
ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne
sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement
dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de
lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde
Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave
plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas
de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles
autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins
locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique
Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et
agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute
eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages
hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire
thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques
exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme
14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement
(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est
transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un
inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des
ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en
puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en
hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que
les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des
panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie
eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet
Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus
exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire
photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit
1141 Hydraulique
Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus
importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une
capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune
source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ
20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash
dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites
de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En
1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A
lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 15
1142 Photovoltaiumlque
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les
panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont
la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable La fabrication des panneaux solaires est
actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu
oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des
cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand
mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee
Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la
technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En
raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs
associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les
solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker MPPT) Cette solution est
eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne
Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment
peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins
eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises
maritimeshellip)
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait
environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)
1143 lrsquoEolien
La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de
la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en
fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en
mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct
16 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs
peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de
30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion
allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee
en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW
de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune
puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)
1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables
Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage
majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi
en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash
ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes
drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)
Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes
technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas
au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une
quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec
les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la
production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer
mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement
radioactifs)
Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs
obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle
elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement
exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec
drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 17
Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation
Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500
eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien
et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du
kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site
dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables
hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute
Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont
encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)
Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies
classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90
(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent
drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)
Impact sur lrsquoEnvironnement
La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des
diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le
surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au
charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les
eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave
partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des
eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au
fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont
meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir de renouvelables)
Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en
particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur
disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de
lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la
18 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en
Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis
2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage
permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze
2005 Ribeiro et al 2001)
12 Classement des Turbines Eoliennes
Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui
permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de
machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor
pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme
drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique
pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la
figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci
appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation
celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien
121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des
avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 19
capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes
installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible
vitesse drsquoamorccedilage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew
2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en
haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs
lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire
(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)
Selon son nombre de pales une HAWT est dite mono-pale bipale tripale ou multi-pale
Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute
et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales
Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave
cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis
drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque
fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement
toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale
Celles-ci sont plus stables car la charge aeacuterodynamique est relativement uniforme et
elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement
Suivant leur orientation en fonction du vent les HAWT sont dites en laquo amont raquo (up-
wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les
premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le
problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un
meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au
vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais
le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur
les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes
celle en amont est largement preacutedominante
20 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval
122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)
Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la
direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction
ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages
sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew
2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se
fait au sol Ces turbines ne disposent pas de commande drsquoangle de pale comme certaines
HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT
Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de
deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance
aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une
reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT
tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute avec connexion au reacuteseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit
permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la
quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 21
Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)
13 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune
turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de
quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze
2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se
situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est
habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation
La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)
Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable
comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique
pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct
nrsquoest pas neacutegligeable
Dans les turbines de taille moyenne et grande la relation de vitesses deacutesireacutee est obtenue
par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est
neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut
srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est
contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux
peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave
22 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands
geacuteneacuterateurs
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine eacuteolienne (Breeze
2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais
dimensionnement de la boite vis-agrave-vis de son spectre de charge Dans les turbines
eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit
supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees
Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)
Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept
drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A
14 Geacuteneacuterateurs
Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production
drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les
geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit
Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de
puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine
pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct
reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur
preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le
geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 23
141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)
Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct
reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de
magneacutetisation au stator
1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)
Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon
rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance
reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec
le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de
puissance (Figure 17)
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe
1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)
Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre
commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi
ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme
par le stator (Ackermann 2005)
24 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est
connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est
un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est
connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui
fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension
du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce
systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de
fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et
eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable
Les points forts du DFIG sont
a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler
la commande des puissances active et reacuteactive
b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance
reacuteactive neacutecessaire
c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la
commande de tension
d) La taille du convertisseur nrsquoest pas simplement en rapport avec la puissance
totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le
coucirct du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 25
synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et
balais
142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)
Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de
magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un
bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de
pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne
neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la
connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure
17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites
tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux
Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe
qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)
Rotor
Gearbox
PMSG WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse
variable
1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)
La connexion directe au reacuteseau de puissance implique que le GS tourne agrave vitesse
constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la
machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme
26 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un
systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable
Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun
convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme
1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)
La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur
de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des
systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des
petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute
Cependant dans les applications de plus grande puissance les aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance geacuteneacutereacutee) en font le moins
compeacutetitif
143 Autres Geacuteneacuterateurs
Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur
pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en
œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela
permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en
eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre
inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et
agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW
Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur
commercialisation (Ackermann 2005)
Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une
structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner
sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines
eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un
convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune
option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une
application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une
technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)
144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de
petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant
continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages
et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne
ACCE 2006)
Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants
est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de
geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour
creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un
courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie
elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel
eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute
directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un
convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension
intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie
sous forme de batterie est en outre envisageable
La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans
plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au
28 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents
modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine
Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les
meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit
Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes
particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants
permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites eacuteoliennes Il y a
eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production
drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du
cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique
Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels
lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave
rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de
lrsquoeacuteolienne
Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par
vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique
deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour
lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure
que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de
deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la geacuteneacuteratrice lorsque la vitesse du vent double Les
alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et
lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du
dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou
faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants
permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le
rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le
rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees
Quant aux alternateurs agrave excitation sans balais ils cumulent les avantages des deux
types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant
comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais
sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien
15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la
distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple
une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee
durant les peacuteriodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes
demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en
cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte
du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important
dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro
et al 2001) La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage
Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La
disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de
fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande
eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques
sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap
30 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
151 Types de Stockage drsquoEnergie
Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau
eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching
eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve
drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau
Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser
Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine
(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour
lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les
autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique
chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee
Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle
conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage
utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un
systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)
conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au
niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses
avantages et ses inconveacutenients
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles
(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre
mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes
de stockage capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de
stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage
supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute
dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes
installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 31
Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le
moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En
particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et
celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lrsquoannexe B
16 Applications des Turbines Eoliennes
Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens
preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant
utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs
Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de
lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique
intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou
photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance
les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au
reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-
stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour
capter davantage drsquoeacutenergie du vent
161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne
Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et
autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options
techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes
pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves
technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration
distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes
32 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation
de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers
lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)
De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet
Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont
neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les
reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre
Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour
fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
a) Extension du reacuteseau de puissance
b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel
Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses
Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de
fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les
technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-
fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible
avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante
Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes
laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute
eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage
conditionnement de puissance et systegravemes de commande
Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour
le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la
distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de
puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une
structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees
au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 33
produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC Ce type de systegraveme peut produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour
Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour
utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les
systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance
est alors que chaque source possegravede son convertisseur avec sa propre commande
inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent
entre les diffeacuterentes configurations possibles
Taux de Peacuteneacutetration du Vent
La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources
renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la
performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance
produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de
puissance
Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui
deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le
systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type
eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de
la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau
optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation
de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par
lrsquoeacutenergie renouvelable
1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de
puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave
34 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres
speacutecifiques de la batterie
Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la
production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave
une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les
condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de
stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande
Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont
directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont
pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace
chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte
Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison
en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une
structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les
petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est
redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en
AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la
charge
La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la
batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance
produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker
drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la
deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces
deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les
ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et
geacuteneacuterateur diesel
Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees
Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont
raccordeacutees au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs
deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC
ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves
des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute
qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de
besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible
ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas
Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc
chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de
lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les
systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des
niveaux de pertes supeacuterieurs
36 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables
1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des
machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de
systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie
avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant
tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute
lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se
reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande
quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays
deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces
systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme
lrsquoeacuteolien est substantiel
Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel
est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des
eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la
tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne
par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 37
peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la
conception du systegraveme et de ses composants
1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes
Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale
diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est
utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de
puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11
Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance
Puissance
installeacutee (kW)
Cateacutegorie Description
lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance
Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de
moins de 1 kW
Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec
une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW
Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de
puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW
Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW
avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de
centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes
Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)
pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris
dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale
installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un
microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et
38 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance
le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)
mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est
de lrsquoordre de 65
100 80 60 40 20
Peacuteneacutetration du vent ()
Puissance installeacutee du systegraveme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systegraveme
Systegraveme de puissance de village
Systegraveme de puissance insulaire
Grand systegraveme interconnecteacute
Ile de Froslashya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Deacutesirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdrsquohui
Futur
Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute
installeacutee [Source Ackermann 2005]
Pour les systegravemes de grande puissance la situation existant au Danemark en 1998 et une
projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle
indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de
puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance
La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de
peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle
de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen
du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les
systegravemes de puissance
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 39
La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change
radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la
geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct
eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des
faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement
eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un
niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte
quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus
duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En
compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente
agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve
pour compenser
Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne
beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes
nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux
actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre
pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de
puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de
conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une
expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche
recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la
Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en
appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes
1614 Systegravemes et Expeacuterience
Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les
diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien
connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart
des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer
40 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides
installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent
de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes
dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de
cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80
par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann
2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de
kW agrave la centaine de kW
Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le
monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)
Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation
Puissance Diesel (kW)
Puissance eacuteolienne (kW)
Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()
Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage
70
St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten
Hydraulique 16
Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation
glace
Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique
70
La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos
Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque
Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic
1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides
Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui
dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le
retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 41
associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables
particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations
dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni
agrave une assistance technique eacutevolueacutee
Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration
La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme
de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner
en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux
turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de
puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est
de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee
tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des
moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges
thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant
Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une
peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de
la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des
moteurs diesel de 25
Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave
Coyhaique
Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili
produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines
eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et
hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales
pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ
600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local
des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des
vents forts sur le site
42 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande
totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique
compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration
eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel
Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux
Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute
de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash
eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois
communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes
de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant
Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit
Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale
Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens
drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant
jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne
mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le
systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a
abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des
trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour
conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)
Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-
oil est escompteacutee
Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham
La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de
lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une
demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois
turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus
un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de
charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 43
centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement
entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale
Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels
aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance
fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et
permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an
162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux
Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands
reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du
fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux
a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement
commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique
b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les
centrales conventionnelles
c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut
ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes
Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est
techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee
1621 Systegravemes Distribueacutes
Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels
est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial
Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir
de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la
construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave
partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en
44 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des
moyens renouvelables (Hau 2006)
Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en
connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du
client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est
injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est
faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie
1622 Parcs Eoliens
Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune
puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine
reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part
dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement
utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute
drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la
demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes
qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement
organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques
De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct
drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au
reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines
eacuteoliennes
Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute
installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre
20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le
commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important
Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice
eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 45
Parcs Marins (Off-Shore)
Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle
capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)
Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes
eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la
mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette
solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins
turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques
de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette
option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour
lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)
a) Hauteur modeacutereacutee des vagues
b) Eaux peu profondes
c) Un vent moyen de quelques 7 ms
Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de
technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est
composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs
eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en
2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev
(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux
signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque
parc (Chen and Blaabjerg 2006)
Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave
installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave
elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la
construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur
cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420
MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de
produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de
peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)
46 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
17 Tendances
En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore
plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la
technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au
deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de
production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique
171 Systegraveme Meacutecanique
De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs
eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en
deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et
la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation
supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les
geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse
La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la
fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de
programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee
couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere
Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et
permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de
faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport
Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 47
172 Systegraveme Electrique
De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave
reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la
masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur
Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles
ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de
puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de
puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon
carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des
tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des
convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants
de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes
turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de
plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de
puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee
173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de
la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une
preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification
agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et
aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au
niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces
progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal
La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente
aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La
production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit
maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses
48 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la
reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les
planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette
augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne
Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un
reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec
de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la
geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours
En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de
nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene
etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct
faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports
18 Conclusion
Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde
a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes
environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers
un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees
briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes
drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont
eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les
turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment
speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de
lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de
geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives
de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees
2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien
Nomenclature
Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)
A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)
R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)
Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)
λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)
Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)
v Vitesse du vent [ms]
M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)
Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)
e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)
us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)
is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)
ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)
ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)
ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)
p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)
Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)
Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)
Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)
G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)
λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)
a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)
50 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
21 Introduction
Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus
compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)
(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus
importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute
drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des
petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante
Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer
dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas
(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour
lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique
etou environnemental
Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour
fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme
performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les
emplacements eacuteloigneacutes
22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de
Commande
Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de
production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le
systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune
boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun
pont de diodes et drsquoun groupe de batteries
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51
Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees
eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les
systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion
System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont
complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires
associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees
Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur
lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera
utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations
de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues
Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de
geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de
rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la
vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de
conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et
la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue
agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison
optimale du rapport de la boite et la tension de batterie
Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme
drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats
sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section
221 Modegravele du Systegraveme
Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave
axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite
de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur
drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique
drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries
pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite
52 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
G
v
M
HAWT Gearbox PMSM Diode
bridge
DC bus
Battery
bank
Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie
2211 Systegraveme Meacutecanique
La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair
traversant la surface balayeacutee par son rotor est
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)
ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)
v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier
deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)
et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical
nombre et forme des pales etc)
TSR v
RΩ== λ (22)
La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par
une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle
(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation
(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR
maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp
maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour
ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 53
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GC p
(23)
Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du
geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de
simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission
meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de
la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de
la machine eacutelectrique (arbre rapide)
Ωsdot=Ω MG (24)
La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique
ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le
nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de
lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la
pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
RvMpvMpa
RvMpGRAPt sdot
minus+minussdot=
ωλωλωρ
(25)
Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi
drsquoeacutecrire la relation suivante
( )3
2
0
2
0
)(
)(
2v
Rvva
RvGRAPt sdot
Ωminus+ΩminusΩsdot=
λλρ
(26)
54 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
2212 Systegraveme Electrique
Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee
simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit
eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les
composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase
car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)
e
+
LS
uS
+
ndash
iS
RS
iS uS
e
δ
ZS iS XL iS
RS iS
ndash
ndash ndash
ndash ndash ndash
Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-
Eschenburg associeacute
Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes
ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=
sdot== r
reE
2
2
22
ω = p ΩG ΩG = M Ω
rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2
2 (27)
E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par
les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)
ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 55
ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique
ω = 2π f)
p nombre de paires de pocircles de la machine
ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)
Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)
M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)
+ LS iSa
uSa
+
+
1 3 5
4 6 2
ea
Ubatt
+
a
b
c
Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie
Redresseur triphaseacute agrave diodes
La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut
se mettre sous la forme
DCacS UGu sdot= (28)
us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur
(aux bornes de la machine)
UDC est la tension batterie (Ubatt)
Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs
En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant
alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de
56 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre
les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour
chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre
1 4
6 3 6
5 2 5
+U +U
ndashU ndashU
uab
+U +U
ndashU ndashU
ubc
+U
2U
ndashU ndashU
3 uSa +U
ndash2U
ia
ib
ic
Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre
phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =
Ubatt)
Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du
redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4
conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension
de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme
(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute
comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions
entre simples sont obtenues par
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 57
sdot
minusminusminussdot=
0121
111
112
3
1bc
ab
c
b
a
u
u
u
u
u
(29)
Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de
connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)
π2=acG (210)
Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a
des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement
cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les
pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge
de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is
sacDC iGI sdotsdot=2
3 (211)
Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes
Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne
Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure
22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)
sss iZue sdot+= (212)
Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur
les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu
sdotminusminussdotminus
=SL
sSS
SiXe
uiReiF
δδ
δsin
cos)( (213)
58 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible
drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil
srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont
( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+
( ) ( )22
222222
21
LS
SLSSSSS
SXR
ueXRuRuRi
+minussdot++sdotplusmnsdotminus
=
Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave
celle qui est positive
( ) ( )[ ]SSSLSSS
LS
S uRueXRuRXR
i sdotminusminussdot++sdotsdot+
= 222222
22
1 (214)
Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force
eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us
La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des
valeurs efficaces ou des valeurs maximales
Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2
33 (215)
Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance
( )[ ]SSSLS
LS
Sm uRueXeR
XR
uP sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= 22222
222
3 (216)
Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la
tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs
expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 59
obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS
et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable
dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω
( )
sdotminusminussdot+sdotsdot
+sdot= SSSrSrS
SS
Sm uRuLR
LR
uP 222222
2222
3 ωψψωω
(217)
Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de
rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de
paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ (218)
2213 Paramegravetres du Systegraveme
Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction
drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres
caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21
22 et 23 respectivement
Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne
Paramegravetre Valeur
Rayon (R) 18 m
Surface de balayage (A) 1018 msup2
Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042
TSR optimal (λ lowast) 68
Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn
Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp
Paramegravetre Valeur
Gain (G) 019
Facteur (a) 156
TSR maximal (λ0) 808
60 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents
Paramegravetre Valeur
Couple nominal (TN) 8 Nm
Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)
Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)
Tension nominale (vN) 110 V(AC)
Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω
Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH
Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4
0 100 200 300 400 500 600 7000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
P [
W]
Ω [rpm]
v = 1 msv = 3 ms
v = 5 ms
v = 7 ms
v = 9 ms
v = 11 msv = 13 ms
Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de
rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms
Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est
traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite
(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir
On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc
pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit
ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin
dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques
ou eacutelectriques
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 61
La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de
rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur
de M constante
0 500 1000 15000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
12 V
24 V
36 V48 V
60 V
Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)
On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine
peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant
avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le
systegraveme est aussi plus faible
Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie
permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont
plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs
donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance
transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir
correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme
62 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse
de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M
avec une tension de batterie fixe
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
500
1000
1500
P [
W]
Ω [rpm]
M = 175
M = 20
M = 225M = 25
M = 275
Figure 27 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation
paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)
On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un
rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de
rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage
plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme
temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est
aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En
conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la
plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave
des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les
vitesses supeacuterieures
Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est
deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 63
optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de
batterie
23 Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici
les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du
problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave
lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la
freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En
supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre
Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de
transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)
Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi
deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation
Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave
trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance
produite sur la plage de vitesse du vent
tuM
Ps ][
max
Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques
du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner
la recherche de cet objectif
64 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
231 Contraintes
Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation
maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de
taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses
Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est
couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant
plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs
nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN
Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse
maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport
entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus
faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure
pour M
N
NGM
ΩΩ
=
max (219)
Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est
supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-
dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance
meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette
vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance
meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse
maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de
la direction du vent (furling)
Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment
ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la
batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse
de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 65
charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent
minimale (vcut-in) (221)
r
S
Sr
uue
ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)
incutincut vMp
R
v
R
minusminus sdotsdot=Ω= minmin
0
ωλ
M
u
p
Ru
Mp
R
Mp
Rv S
rr
Sincut sdot
sdotΨsdot=
Ψsdot
sdotsdot=
sdotsdot=rArr minus
000
min
λλλω
(221)
Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent
sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne
En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante
trouver les paramegravetres M et ucircs tels que
tuM
Ps ][
max
avec les contraintes
Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)
M isin
ΩΩ
N
NGen 1
uS isin [ ]Nu0
iS isin [ ]Ni0
ω isin
Ψ Ns
r
u ω1
v isin
sdot
sdotΨsdot minusoffcut
s
r
vM
u
p
R
0λ
66 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation
La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins
quelques difficulteacutes
1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible
Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la
seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de
fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de
la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation
2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne
megravene pas agrave une solution unique
Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui
correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est
noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y
correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee
ω donneacutee par (222)
( )
Mpp
MG sdotΩsdot=rArr
Ωsdot=Ωsdot=Ω ω
ω (222)
Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une
valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee
agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de
transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui
megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique
Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme
puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave
cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave
chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 67
Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il
est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport
de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier
reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees
pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie
qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-
variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v
Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et
pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de
batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure
drsquooptimisation sont les suivantes
1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale
Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω
se
trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy
2) Parameacutetrisation de la tension de batterie
Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions
alternatives ucircS est aussi choisi
3) Deacutetermination de la freacutequence ω
De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale
ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation
de puissance eacutelectrique
4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages
Utilisant les valeurs optimales ω et Ω
le rapport de transformation de la boite
de vitesse M est calculeacute avec (22)
Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de
vent choisies
Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24
68 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation
correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie
Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les
valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees
v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]
3 113 670
4 151 1588
5 189 3101
6 226 5358
7 264 8508
8 302 1270
9 340 1808
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12
Wind speed [ms]
Opt
imal
WT
pow
er [W
]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Opt
imal
roto
r spe
ed [r
ads
]
Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le
systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent
Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance
supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est
donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent
Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation
cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur
maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la
vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets
magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 69
maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de
rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)
vRv
R sdot=ΩrArrΩ=
λλ (223)
Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation
eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des
valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure
29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure
210
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
freq
uenc
y [ra
ds]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de
batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees
On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale
augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave
9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute
par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme
Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau
retrouveacutee
70 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
Battery voltage [V]
Opt
imal
gea
rbox
ratio
[-]
3 ms
4 ms
5 ms
6 ms
7 ms
8 ms
9 ms
Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les
freacutequences et les vitesses de rotation optimales
Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la
figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de
rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute
La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est
obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions
faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie
deacutecroissante
Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de
batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de
trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale
Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas
adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute
Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs
ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 71
En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une
paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes
pour le systegraveme
233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique
Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de
transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la
tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production
drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les
conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent
par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus
une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee
Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions
analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale
de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de
puissance du geacuteneacuterateur Pm
Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir
convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de
puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la
meacutethode de reacutegression de Gauss
Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes
des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)
Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire
La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre
les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de
fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant
72 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas
avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes
24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation
Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent
permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois
pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour
reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non
controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune
forme optimale
Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v
3)(2
1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ
Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de
puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de
lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)
3
2
1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)
Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur
optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la
puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)
Ω=Ω=rArrΩ=
λλλ RR
vv
R (225)
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(226)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 73
On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la
turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement
Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)
( )( ) ( )[ ] SSSrSrS
SS
S uRuMpLRMpMLpR
u
mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot
Ω+sdot= 2222
22
2
3 ψψ
La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par
la machine est
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=minus=max
min
)()( dMuPPAAA mimi
Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes
donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires
intΩ
Ω
ΩΩminusΩ=max
min
)()(min][
dMuPPA miuM
(227)
Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de
transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une
seacuteparation des termes
intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dPA ii intΩ
Ω
ΩΩ=max
min
)( dMuPA mm
La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint
sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de
vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine
eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci
est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le
74 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique
ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite
ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est
important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)
ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)
ΩleΩleΩ
ΩleΩleΩΩsdot
sdotsdotsdotsdot=
max
min
3
3
2
1
CN
Cpi
P
RCA
P λρ
(228)
Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques
de lrsquoeacuteolienne
P
Ω Ωmin
PN
ΩC Ωmax
Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAdPAN
C
C
NpMii
min
3
3
max
min2
1)(
λρ
rArr Ω+ΩΩ
sdotsdotsdot= intintΩ
Ω
Ω
Ω
dPdR
CAAN
C
C
NpMi
min
3
3
2
1
λρ
rArr ( ) ( )CNNCpMi PR
CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ
sdotsdotsdot= 4
min
4
3
8
1
λρ (229)
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 75
Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la
courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne
Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de
la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est
obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la
valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la
puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est
obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition
de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non
imaginaire (231)
Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)
Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp
( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)
Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes
que pour le problegraveme preacuteceacutedent
ΩΩ
isinN
NGenM
1
[ ]NS uu 0isin
Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter
un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de
fonctionnement du systegraveme (232)
Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)
76 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute
utiliseacutee
La proceacutedure de solution est
1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace
retenu
2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires
qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)
3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des
solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]
4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une
valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par
+
minusminus
sdot
=
min
min
minmax
minmax
0
0
M
u
MM
uu
r
r
M
u
M
uS
5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable
6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable
7 Garder les valeurs de u M et A
8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque
iteacuteration
9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant
10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de
recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10
Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere
iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des
derniers reacutesultats rangeacutes
241 Reacutesultats
Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le
tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur
MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 77
Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20
individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10
Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux
locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode
Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension
optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de
la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25
Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo
Cas A Ai uS M
I 01919 299933 25338
II 02075 315285 23975
III 02303 323938 22885
IV 02444 325845 22381
V 02769 329100 21322
Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la
plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les
valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de
vitesses sont est us = 30 V et M = 25
Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la
solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II
On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere
iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux
possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut
observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce
cas (figure 212b)
78 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere
iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale
par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de
lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(a)
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
500
1000
1500
Wind Turbine Rotational Speed [RPM]
Pow
er [
W]
(b)
Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne
obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la
plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations
Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 79
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(a)
20 30 40 50 60 70 80 901
12
14
16
18
2
22
24
26
28
Peak Voltage u [V]
Gea
rbox
Rat
io M
[-]
(b)
Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de
la meacutethode de Monte-Carlo
80 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
25 Conclusion
Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite
taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un
systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un
modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les
expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la
machine
Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du
coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple
modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC
eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique
Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de
M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi
il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour
le systegraveme
Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de
reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de
vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a
permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance
geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien
3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien
31 Introduction
Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des
applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de
petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de
conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs
anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes
de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles
(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy
and Salameh 1997 Ermis 1992)
Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de
puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est
largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son
coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund
and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance
depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus
DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne
au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour
lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de
faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et
les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes
interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and
Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
82 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus
utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute
expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau
public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave
cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest
cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent
En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un
compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de
permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou
application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons
Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible
puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement
Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur
abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de
vitesse du vent
La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec
stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance
eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur
DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la
machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine
eacuteolienne
Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de
geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83
de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la
reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade
Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance
constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne
32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes
La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme
commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce
seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-
delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance
(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et
elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme
fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus
de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance
geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie
ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter
P
v vN vcut-off vcut-in
PN
Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne
84 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont
a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)
b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)
c) Commande stall active (active stall control)
d) La commande drsquoorientation (yaw control)
321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor
Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee
3
2
1vCAP pρ=
(31)
Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP
est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de
la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le
seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la
vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non
lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est
caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ
pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32
Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)
a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois
pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la
Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe
vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme
hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine
tripale (CPmax asymp 05)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 85
Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens
(Source Hau 2006)
On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs
maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une
vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour
deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est
favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le
rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible
On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP
) pour chaque eacuteolienne est un point
preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande
(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce
point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et
lrsquoeacutenergie fournie
Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement
86 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control)
Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est
le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de
lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de
puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)
Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du
vent
Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale
(Source Hau 2006)
Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les
vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur
nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse
nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du
rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 87
3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)
Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du
profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du
cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces
turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la
dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour
limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus
faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la
puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des
caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine
Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour
une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)
La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale
face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de
lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion
88 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents
modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire
drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une
complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute
suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des
inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de
commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces
cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est
neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des
problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)
3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)
Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux
types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois
Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la
commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale
les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au
laquo passive stall control raquo
3214 Commande drsquoOrientation
Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne
partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette
meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave
vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute
geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines
eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct
et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de
reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 89
322 Commande du Systegraveme Electrique
Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence
par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en
suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme
de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de
rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou
asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques
prend place
Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de
commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de
conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes
sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant
Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le
reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse
de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle
lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la
capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale
Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy
Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)
a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale
b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique
c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit
d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure
Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une
tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de
freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils
90 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir
plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs
3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Ajustables
La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur
la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de
puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de
puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la
reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP
peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les
angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum
Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du
systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un
rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β
et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale
du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de
puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema
simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36
La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du
mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des
changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci
drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet
drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard
engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme
Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes
drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement
par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur
fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 91
maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la
reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du
geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable
deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la
vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)
Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des
angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60
(Source Hau 2006)
Wind turbine
Electric
Generator
v
P ω
β
Τ
ωREF +
ndash
Proportional
Controller
Torque
Non linear
Control
Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)
92 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
3222 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave
Pales Fixes
Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une
valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les
systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris
et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al
1997 Bouscayrol et al 2005)
Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont
eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non
lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de
la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees
sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)
La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la
reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la
machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande
vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq
control) pour les machines synchrones
Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des
aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la
vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison
et corriger la diffeacuterence
3
3
2
1)( Ω
sdotsdotsdot==Ωλ
ρ RCAPP pMti
(32)
Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est
trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des
moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al
1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 93
les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave
puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du
geacuteneacuterateur pour les autres VAWT
Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de
vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la
reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont
souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension
continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge
La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour
les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)
puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables
comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de
Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche
La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun
convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters
2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit
pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible
de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave
thyristors (Borowy and Salameh 1997)
La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour
eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du
systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de
rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par
tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du
geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans
les figures 37 agrave 310
94 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
wind
turbine
WRSG rectifier
~
= ~
chopper
=
=
frequency
signal generator control unit
battery
bank load
f
Vb Io
D
Field
winding
D
Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de
faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)
Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune
VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la
tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la
tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il
sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de
lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est
speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la
commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant
drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et
le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport
cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem
de la machine
Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par
Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun
systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge
La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-
mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules
photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 95
MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute
centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour
lrsquoonduleur
wind
turbine
PMSG controlled
rectifier
~
= ~
chopper
(MPPT)
=
=
control unit
battery
bank
load
input
signals
α
PV array
~
=
inverter
M f
α
D
D
Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
battery
bank load
ωg
PAC
D
Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)
96 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est
composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur
eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par
batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour
transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du
geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du
redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur
DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la
tension DC selon les besoins du systegraveme
Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale
pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le
rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la
puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse
de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)
Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle
proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que
Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de
vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande
eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN
wind
turbine
PMSG
rectifier
~
= ~ chopper
=
=
control unit
(ωe to VDC)
battery
bank load
ωe
D
Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 97
La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le
deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de
commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la
puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie
3223 Structure de Puissance Proposeacutee
Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne
tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants
permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par
batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)
G
v
M
HAWT Gearbox PMSG Diode
bridge
Output DC
bus
Battery
bank
=
=
dcdc
Converter
Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et
stockage drsquoeacutenergie
La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de
toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus
eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus
approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau
2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de
lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux
applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct
ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un
simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion
ACDC
98 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute
(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les
vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du
geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-
eacuteleacutevateur (Buck-Boost)
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien
Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux
avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave
lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva
2005)
bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave
lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une
composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude
deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique
permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de
puissance si neacutecessaire
bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du
fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du
geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)
bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la
plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme
(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 99
Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de
seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une
tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et
un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence
La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du
convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de
rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui
maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne
3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee
La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui
creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les
conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des
convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension
Commande de la vitesse de la machine
La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par
les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers
paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre
controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine
eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ
La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la
production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent
100 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
(a)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
P [
W]
Ω [rpm]
(b)
Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par
lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance
maximale (ligne en tirets)
Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque
vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise
lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance
Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation
(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment
Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander
la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable
La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur
DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une
tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave
vitesse variable pour le geacuteneacuterateur
Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre
obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette
approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile
et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de
suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le
deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 101
nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu
autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements
(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un
rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee
par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC
(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas
neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la
vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent
ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du
convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les
commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence
eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee
vRv
R
λλ =ΩrArr
Ωsdot= (33)
Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut
srsquoobtenir simplement de la relation (32)
31
33
3
2
1)(
=ΩrArrΩsdot=Ω
sdotsdotsdot=Ωk
Pk
RCAP pM λ
ρ (34)
La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante
3
2
1
sdotsdotsdotλ
ρ RCA pM
Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne
utiliseacutee
102 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance
proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses
optimal λ est alors neacutecessaire
La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie
donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure
314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute
PI
Controller
ΩREF
Ω
F-F Speed
Control
VDC REF
R
λ
v
Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute
Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave
reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour
calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la
vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)
rGRDC
s
rGr
sDC
pGU
eu
pe
uGU
ΨsdotΩsdotsdotasymprArr
asymp
ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=
ˆ
ˆ
ω (35)
UDC est la tension continue
ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal
e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG
Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur
faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 103
Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation
nominale du systegraveme
Strateacutegie de commande pour les convertisseurs
Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour
lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee
Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des
convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de
conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux
bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la
machine agrave aimants permanents
Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la
batterie sont prises en compte
SRDC uGV sdot=
DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)
Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en
mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)
DV
V
i
o = (37)
Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau
fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de
conversion
Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste
ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de
commande est simplement le rapport cyclique (38)
104 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
REFDC
BattBuck
V
VD = (38)
VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la
commande de vitesse de la machine
Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est
DV
V
i
o
minus=1
1 (39)
Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement
(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se
maintient ouverte)
En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)
est simplement
Batt
iBoost
V
VD
1minus= (310)
La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur
cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque
convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de
batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un
simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la
commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la
reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action
drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor
du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur
Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 105
reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le
convertisseur eacuteleacutevateur marche
VDC REF
VBatt
divide
1
divide
PWM
PWM
Boost Driver
Buck Driver
Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs
3225 Reacutesultats
Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en
utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy
La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance
meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La
boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur
Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym
Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du
systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable
106 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Commande de la vitesse de rotation
Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute
comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu
du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de
rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de
rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent
La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de
vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la
puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme
0 02 04 06 08 1 12 14 160
20
40
60
80
100
120
140
Time [s]
Ω [ra
ds]
Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme
eacuteolien
La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de
vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de
puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La
premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de
deacutemarrage du systegraveme
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 107
Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante
Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade
utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La
figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave
la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade
0 01 02 03 04 05 06 07 080
20
40
60
80
Vol
tage
[V
]
Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics
0 01 02 03 04 05 06 07 080
10
20
30
time [s]
Cur
rent
[A
]
Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence
de puissance fixe
Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la
tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop
faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour
le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est
alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave
lrsquoentreacutee
Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion
deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est
ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de
108 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des
rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une
solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une
zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la
stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider
Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une
application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des
simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes
dans le tableau 31
Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS
utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus
eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi
drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits
Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un
premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms
et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees
pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321
Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
Paramegravetre Valeur
Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m
Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68
Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de
pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH
Ψr = 01827 Wb
p = 4
Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307
Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF
Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF
Tension de batterie Ubatt = 72 V
Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 109
01 015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [s]
Ω [
rad
s]
Speed Ref
Speed
Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms
015 02 025 03 035 040
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Figure 319 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts
de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
110 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse
associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon
correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le
deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20
cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute
environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non
lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en
faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee
Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire
cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci
srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer
la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au
niveau de la vitesse de rotation
01 015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100
Sys
tem
Vol
tage
s [V
]
01 015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms
Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 111
015 02 025 03 035 04
-50
0
50
100S
yste
m V
olta
ges
[V]
015 02 025 03 035 04
-4
-2
0
2
4
6
Time [s]
Sys
tem
Cur
rent
s [A
]
Figure 321 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de
vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms
On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du
systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour
modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des
signaux AC
Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont
remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une
vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des
courants AC
Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une
vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est
presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur
112 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur
pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure
de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs
(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute
34 Conclusion
Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute
rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse
variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave
lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies
aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee
Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible
puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees
et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de
base pour proposer une nouvelle structure
Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC
cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une
commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des
convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme
proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille
4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans
les Convertisseurs de Puissance
Nomenclature
rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VD Tension de seuil de la diode (V)
ID Courant moyen dans la diode (A)
iD RMS Courant efficace dans la diode (A)
pD Pertes par conduction dans la diode (W)
rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)
VT Tension de seuil du transistor (V)
IT Courant moyen dans le transistor (A)
iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)
pT Pertes par conduction dans le transistor (W)
pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)
D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)
ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)
toff Dureacutee du blocage du transistor (s)
IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)
iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)
pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)
Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)
M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)
ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)
pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)
psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)
114 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)
tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)
trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)
tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)
trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)
QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)
fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)
pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)
pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)
prr Pertes par recombinaison (W)
41 Introduction
Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride
renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux
sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications
concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification
rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves
coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)
Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un
dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des
conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes
dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux
photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet
de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers
auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre
drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie
renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement
lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115
neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier
2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle
utilise des rendements constants)
Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les
convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont
deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de
geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une
turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de
batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en
compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique
des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et
les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des
pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi
que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations
numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent
sont preacutesenteacutees
Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance
eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme
avec une approche agrave rendement constant
42 Meacutethode Proposeacutee
Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par
conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un
hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre
commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width
Modulation)
116 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
421 Calcul des Pertes
En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en
consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du
reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans
lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur
et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction
4211 Pertes par Conduction dans les Diodes
Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans
les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la
reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour
que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode
utiliseacutee
ideal diode VD rD
iD
Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction
Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables
agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans
la diode
2
SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4
1)
4212 Pertes par Conduction dans les Transistors
Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans
lrsquoonduleur
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 117
Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs
pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les
autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant
pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil
est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT
est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave
lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule
par le transistor
2
SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4
2)
4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur
Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une
distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au
reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu
affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de
nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme
rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des
impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave
un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier
tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des
courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des
tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC
118 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
D1
D4
VA iLA io
Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie
iLA
ωt π
2π iD1
iD4
Io io
Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA
(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io
Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer
les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la
valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs
peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du
courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le
cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA
composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 119
LLLmm
T
iiiItdtIdtiT
I 35123
233
)()sin(2
6132
30
00 asymp===== intint πππωω
π
π
π
LL
m
T
DD ii
tdtIdtiT
Iππ
ωωπ
π 2
2
22)()sin(
2
11
00
==== intint
ooLD IIiI3
1
23
22 =sdotsdot== πππ
(4
3)
Lmmm
m
T
DRMSD iIII
tdtIdtiT
i2
2
2422)()(sin
2
11 22
0
22
0
2 ====== intint
ππ
ωωπ
π
ooLRMSD IIii6232
2
2
2
ππ =sdotsdot== (4
4)
Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de
courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer
simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)
( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=
2326
)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π
(4
5)
22
62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π
(4
6)
4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur
Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de
type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une
inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de
conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)
Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le
temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement
est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le
120 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace
dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes
des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement
noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL
RMS
iL
IL
t T DT 2T
∆iL
iT
iD
Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans
le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs
Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant
tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables
quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de
deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et
(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere
expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans
lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de
lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des
ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le
nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle
correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue
lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la
valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction
discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de
lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui
serait nulle dans lrsquoinductance)
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 121
T
tD ON=
OFFON ttT +=
LT IDI sdot= (47)
RMSLRMST iDi sdot= (48)
( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)
RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)
( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)
( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)
( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)
( )( ) ( )( ) 2 1
3
41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)
4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur
Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont
triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension
deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la
figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de
largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de
modulation est noteacutee M
En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont
celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la
relation suivante
)2sin(22
1)( tf
MtD πsdot+= (415)
122 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
VDC vo
io
Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute
Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge
Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une
telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au
point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)
DVv DC sdot=
Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)
)2sin(2
)( tfM
Vtv DCac πsdotsdot= (416)
Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par
rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge
)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)
Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence
de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est
positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme
bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est
neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les
bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 123
expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des
composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces
eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)
Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant
que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans
lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une
diode) par la relation (420)
++
+= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mTmTT (418)
minus+
minus= ϕππ
ϕππ
cos3
2
42cos
41
2
2MIr
MIV
p mDmDD (419)
( )DTacdc ppp += 6 (420)
422 Pertes par Commutation
Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-
conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)
et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire
consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont
relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se
retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un
fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et
encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique
Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage
Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee
pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave
lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la
freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation
et lrsquoencombrement du convertisseur
124 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non
neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les
expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur
4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur
Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de
quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus
rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse
et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme
ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et
ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique
(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur
moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr
et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette
relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes
des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie
assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le
courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage
( )frsLmsw ttfIVp +=2
1 (421)
4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur
Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas
preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit
au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V
Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors
sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en
compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par
commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 125
(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette
approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en
consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le
courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les
temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions
nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs
nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les
pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage
sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes
par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois
derniegraveres puissances
srN
N
mmonc ftI
IVp
2
8
1= (42
2)
+=
N
msfNmmoffc
I
IftIVp
24
1
3
1 π
(42
3)
sdot
+++sdot
+= rrN
N
m
N
mrrNm
N
msmrr Q
I
I
I
ItI
I
IfVp
2
0150380
28005080
ππ
(42
4)
43 Reacutesultats
Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en
les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en
simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison
Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la
documentation des constructeurs
126 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
431 Pertes dans le Redresseur
Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des
pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance
(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant
INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans
le tableau 41
Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur
Diode Standard
Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V
Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes
par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et
de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La
tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute
sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de
courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et
47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas
Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en
fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis
commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave
courant nominal
Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de
pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante
iVk
R
iVk
Ri
iVk
p
P
pPi
P
P losses
i
losses
i
o
sdotminus=
sdotsdotminusasymp
sdotsdotminus=minus== 111
2
η
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 127
Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i
augmente
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
963
964
965
966
967
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)
0 5 10 150
500
1000
Output Current [A]
Pow
er [
W]
0 5 10 150
10
20
30
40
Output Current [A]
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 47 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance
drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08
128 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le
rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il
est proposeacute dans la figure 48
Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus
eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des
courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge
augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave
lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux
diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave
celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)
0 2 4 6 8 10 12 140
10
20
30
40
Pow
er L
osse
s [W
]
0 2 4 6 8 10 12 14962
964
966
968
97
Output Current [A]
Eff
icie
ncy
[] 6F(R)
10ETS08
Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 129
432 Pertes du Hacheur
Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune
tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les
applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension
DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode
de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant
lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions
entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs
La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs
DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la
technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes
pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le
tableau 42
4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
TransistorDiode
La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction
drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse
fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode
Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie
constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour
lrsquoensemble des deux
Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur
Paramegravetre MOSFET
IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN
Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V
130 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
2
4
6
8
10
12
Duty Cycle
Pow
er L
osse
s [W
]
Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport
cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en
tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs
Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon
presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les
pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =
1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs
srsquoeacutegalisent
Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la
reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes
par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la
diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1
4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-
conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux
convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 131
boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur
(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie
Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs
analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee
supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs
Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le
fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension
de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul
lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si
lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le
convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une
analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de
puissance avec reacutegulation de la tension de sortie
L1
C1 Q1 D2
L2 D1
Q2
C2 Vi Vo
+ +
Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck
C
D
Vi Vo
+
+
L
Q ndash
ndash
Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost
132 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors
de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de
sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de
tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans
ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes
correspondants
Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)
Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs
des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps
drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les
valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par
rapport agrave ceux du transistor
La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension
drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux
premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la
troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par
conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction
des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes
transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair
en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des
anteacuterieures) sont en ligne magenta
Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension
drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les
pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du
transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel
est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le
convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse
tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la
diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 133
constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes
dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi
Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du
convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode
laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans
le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit
agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le
convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee
20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
Buc
k
Power Losses [W]
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
Boo
st
20 30 40 50 60 70 80 900
50
100
150
200
Buc
k-B
oost
Vi[V]
T
D
T+DSw
Total
Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee
134 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction
et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre
du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre
du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les
semi-conducteurs
10 20 30 40 50 60 70 80 9020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vi[V]
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en
fonction de la tension drsquoentreacutee
10 20 30 40 50 60 70 80 904
6
8
10
12
14
16
18
20
Vi[V]
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Buck
BoostBuck-Boost
Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 135
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
Vi[V]
Tot
al L
osse
s [W
] Buck
Boost
Buck-Boost
10 20 30 40 50 60 70 80 9070
80
90
100
Vi[V]
Eff
icie
ncy
[]
Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en
neacutegligeant les autres pertes
On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation
dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-
Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par
le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter
lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des
eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur
pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii
et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =
(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le
convertisseur cascade
De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay
2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter
avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet
drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour
le cas du convertisseur Buck-Boost
136 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est
nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette
diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la
diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont
moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des
valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur
cascade
433 Pertes de lrsquoOnduleur
Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont
complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power
Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est
alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La
charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La
freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont
reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au
convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les
eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur
Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre MOSFET
SPP11N80C3 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W] Transistor
Diode
Inverter
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
Switching
Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge
Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par
conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la
sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant
augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la
valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de
la forte valeur du RDS ON des MOS
Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles
partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec
la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient
des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS
138 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
100
200
300
400
500
Tot
al L
osse
s [W
] Conduction losses
Switching losses
Total
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070
75
80
85
90
95
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de
lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee
Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere
fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que
celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la
deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee
des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave
faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec
lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur
Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de
fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor
choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en
antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des
pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les
comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des
semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et
pointilleacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 139
Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur
Paramegravetre IGBT
SKW15N120 Diode (interne)
Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
50
100
150
Con
duct
ion
Loss
es [
W]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Sw
itchi
ng L
osse
s [W
]
Output Power [W]
Turn on
Turn off
IGBT Inverter
MOS Inverter
IGBT
Internal Diode
IGBT Inverter
MOS Inverter
Figure 418 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour
lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance
deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur
140 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau
tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de
lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee
que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec
les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave
celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait
que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT
Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque
uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette
diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent
les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
200
400
600
Tot
al L
osse
s [W
]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070
80
90
100
Eff
icie
ncy
[]
Output Power [W]
Conduction losses
Switching losses
IGBT Total
MOSFET Total
Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute
et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave
MOSFET
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 141
Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par
commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par
conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup
moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la
charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont
consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les
conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec
lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur
44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme
Hybride
Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus
complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent
srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour
eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont
compareacutes agrave une approche agrave rendement constant
441 Description du Systegraveme
Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au
bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave
diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction
de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le
surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production
sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la
charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420
Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de
tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif
(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la
142 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs
fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de
puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le
cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples
impeacutedances RL en seacuterie
La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme
pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des
MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des
convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux
minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des
raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)
est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge
un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme
ideacuteal donc libre de pertes
G
G
= ~
= =
Diesel Generator
Wind Turbine
Photovoltaic Array
Battery Bank
DC Bus AC Bus
AC Load
Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC
442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes
La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur
la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur
toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie
et le DG est utiliseacutee
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 143
Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement
deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour
lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et
drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les
moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de
probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables
Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non
fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du
systegraveme est un point cleacute
Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et
Vannier 2004)
443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride
Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme
de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base
horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation
speacutecialement deacuteveloppeacute
Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement
choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61
ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421
Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46
La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee
dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave
rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour
une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute
comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non
144 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives
Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est
simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la
demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour
est de 138 kWh
Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique
Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de
Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable
Source Valeurs
Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 145
Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration
Hybride Renouvelable
Convertisseur Valeurs
Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω
Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le
manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS
plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant
Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total
infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon
lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur
Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de
fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La
meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance
(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)
146 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans
les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long
terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie
est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration
renouvelable
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-2000
0
2000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee
typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 147
0
5000Energy supplied by the Diesel Generator
W
0
1000
2000Energy supplied by the Wind Turbine
W
0
1000
2000Energy supplied by the PV panels
W
0
500
1000Battery State of Charge
W
0
5000
10000Load
W
0 5 10 15 20 25-5000
0
5000Energy Balance (Egenerated-Eload)
Time (Hours)
Wh
Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee
typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la
batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan
45 Conclusion
Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute
proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des
eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le
calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature
Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies
de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour
un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI
148 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles
permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses
applications de puissance
Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans
lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est
habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est
inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est
lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une
nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee
La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes
eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute
utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du
systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des
expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de
puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour
observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant
peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme
Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee
dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de
systegraveme et de convertisseurs
Conclusions et Perspectives
Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les
plus importants sont reacutesumeacutes ici
La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales
du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une
structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele
meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute
utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme
drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu
concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs
optimales rechercheacutees
Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration
eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur
eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon
optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la
puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite
Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward
ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable
Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de
puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par
commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et
speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La
150 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip
meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme
preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant
Perspectives
Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche
effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants
Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du
systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine
dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles
et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de
conversion eacuteolien
Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de
Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats
du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour
reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien
peut proposer
Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec
une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement
Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de
commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade
proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la
zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une
reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation
Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et
veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de
Conclusions et Perspectives 151
fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des
harmoniques de courant dans la machine
Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un
prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande
proposeacutes
Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion
des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de
puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-
fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement
Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs
eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes
dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides
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Annexe A Boicircte de Vitesses
Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le
rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes
ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes
de plus faible ou de plus grande taille
Configurations des Boicirctes de Vitesses
Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une
premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et
lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un
seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable
Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission
jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande
puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets
des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte
Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids
total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits
drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages
(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si
eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure
A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct
A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux
turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas
souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors
tregraves souvent employeacute
Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses
pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)
Configuration
Masse [T] Cout relatif []
Deux eacutetages parallegraveles
70 180
Trois eacutetages parallegraveles
77 192
Deux eacutetages un parallegravele et
un eacutepicycloiumldal
41 169
Trois eacutetages un parallegravele et
deux eacutepicycloiumldaux
17 110
Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux
11 100
Annexe A Boite de Vitesses A-3
Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave
500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage
eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]
Dimensionnement de la Boicircte
Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part
il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les
arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de
vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation
correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de
fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme
de la turbine eacuteolienne
Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple
du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins
importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient
des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute
la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant
A-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave
une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)
Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge
complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode
simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de
charge externe (Hau 2006)
Torque T
Torque T
Time t Load cycles N
Low
cycle fatigue rang
High
cycle fatigue rang
Infinite
cycle fatigue rang
fatigue strength limit
load spectrum
Teq
TN
Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force
drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct
Rendement de la Boicircte de Vitesses
Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes
Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute
particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les
ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse
Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins
importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement
dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement
compleacutementaires deviennent neacutecessaires
Annexe A Boite de Vitesses A-5
Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de
meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees
typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de
pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)
En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans
la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement
meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de
nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des
transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne
Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus
cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace
qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire
Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise
Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des
courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des
meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de
puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance
transmise (Hau 2006)
Entrainement Direct
Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement
de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur
Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation
des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus
lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur
est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne
A-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi
moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de
deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de
maintenance (Westwind 2005)
A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont
produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)
Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie
Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son
inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave
faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en
une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une
dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)
Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et
un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre
obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors
deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)
La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les
deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes
eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette
application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux
conceptions conventionnelles
Annexe B Technologies de Stockage
Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et
lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile
pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation
typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la
demande
Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)
Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une
deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la
perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule
faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute
Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave
partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire
lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave
preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source
drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de
lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee
Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en
raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct
Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est
beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute
B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler
avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements
B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie
Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave
reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau
super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre
forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un
champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font
la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie
doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise
Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale
hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de
lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air
Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle
Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le
stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des
grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage
capacitif sont aussi utiliseacutes dans les petites et moyennes installations de stockage
drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de
Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite
taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts
eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)
Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut
fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants
drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de
millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes
et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes
Annexe B Technologies de Stockage B-3
Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser
Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage
meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les
pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage
drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage
pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les
systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court
terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus
long terme
Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion
drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires
garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le
rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au
stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont
montreacutees dans le tableau B1
Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source
Breeze 2005]
Technologie Rendement ()
Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90
Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un
rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec
le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont
seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un
rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants
drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins
B-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes
si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes
B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de
puissance
Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent
contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute
de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere
significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et
des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources
de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de
nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour
les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en
phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est
envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)
Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs
conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la
croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question
critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur
permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable
Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies
drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie
une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de
stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et
des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces
technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe
de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant
plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de
Annexe B Technologies de Stockage B-5
puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance
(Ribeiro et al 2001)
B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et
distribution
Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en
convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique
eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage
drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer
lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de
reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de
stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le
temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les
performances du systegraveme
Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de
puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des
oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la
reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par
basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances
sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance
Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute
sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour
fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite
de la technologie de stockage par ces moyens
B-6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle
La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un
dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle
puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire
Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est
capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont
organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes
pour une application particuliegravere
Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un
eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour
permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction
Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour
leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie
(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de
batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une
caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent
une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent
lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les
facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute
drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee
de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)
Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles
peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu
profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie
automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est
normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de
batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle
Annexe B Technologies de Stockage B-7
Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un
rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La
plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop
longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre
utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts
Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un
certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la
quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de
deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela
reste toujours un problegraveme
Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque
instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau
drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration
distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance
Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment
ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries
(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration
drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans
ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules
souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage
drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)
En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave
des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges
rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le
reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie
Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la
geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux
B-8 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des
rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des
batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles
Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de
puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les
batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent
fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension
bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries
offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus
eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont
reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus
prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de
drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension
le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS
ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de
freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes
selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge
Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance
FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance
B31 Batteries plomb-acide
Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont
utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage
drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb
avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux
eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)
Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un
eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant
Annexe B Technologies de Stockage B-9
aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications
stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois
La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues
pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les
ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un
secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon
marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage
malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles
favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute
seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve
(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance
pour des applications stationnaires
B32 Batteries Nickel-Cadmium
Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et
sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave
basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute
utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles
ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd
jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle
occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760
cellules individuelles (Breeze 2005)
B33 Batteries Sodium-Soufre
La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute
tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est
mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries
B-10 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante
particuliegraverement pour les applications embarqueacutees
Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance
au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La
plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en
2002 (Breeze 2005)
B34 Flow Batteries
La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie
conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie
conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques
responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des
reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins
comme dans une pile agrave combustible
Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux
la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux
conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont
deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave
environ 100 ms
B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie
Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule
proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience
est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de
commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement
sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la
Annexe B Technologies de Stockage B-11
vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur
potentiel
B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie
Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de
500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour
de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW
Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent
reacuteussies
B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de
Stockage
Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur
lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes
consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par
air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine
agrave gaz
Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de
mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et
recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement
dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries
contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement
Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-
condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci
seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants
drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un
faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence
extrecircme
B-12 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts
positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral
et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des
technologies renouvelables
Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de
transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il
y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute
produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut
ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base
Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe
avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il
est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de
sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage
environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution
atmospheacuterique plus faible
B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage
Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage
drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur
lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)
du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou
impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie
moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave
geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible
qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service
Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la
situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut
Annexe B Technologies de Stockage B-13
ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est
moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de
stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup
plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre
accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance
Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie
a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies
renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les
avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus
accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant
B6 Coucircts des Technologies de Stockage
Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains
comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que
drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes
Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers
Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies
examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le
stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec
prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en
deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils
deviendront largement disponibles au niveau commercial
Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour
sera aussi un aspect agrave prendre en compte
Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy
a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies
sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi
B-14 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source
Breeze 2005]
Technologie Cout ($kW)
Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500
En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en
tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze
2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas
au niveau eacuteconomique
Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al
2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les
SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du
systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre
stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent
devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible
eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-
$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est
dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur
coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le
coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du
systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur
DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur
source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant
qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage
de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total
deacutepend de la lrsquoapplication
Annexe B Technologies de Stockage B-15
La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de
geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute
des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves
important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La
capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la
charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la
distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance
reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans
modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des
dispositifs de stockage drsquoeacutenergie
Annexe C Le Coefficient de Puissance
Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest
pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de
conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la
plupart des petites eacuteoliennes
Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du
rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre
la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v
v
RΩ=λ
Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent
Approximation par polynocircme
Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement
est la reacutegression polynomiale
Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)
qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite
taille
665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC
C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette
repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp
maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ
0 1 2 3 4 5 6 7 80
005
01
015
02
025
03
035
04
045
λ
Cp
Polynomial curve fitting
Function Approximation
Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par
Vannier Morales et Lopez (tirets)
De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu
(λmax Cp max) = (68023 04264)
Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776
Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle
2
0
2
0
)(
)()(
λλλλλλ
minus+minussdotasymp
a
GCp
Annexe C Coefficient de Puissance C-3
Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire
pour trouver ces paramegravetres
Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres
deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la
courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme
Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre
numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point
Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee
Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction
sous forme combinaison lineacuteaire suivante
0)()()()( 2
00
2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa
Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante
0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf
Avec
α = a2
β = G
f(λ) = Cp(λ)
g(λ) = λ (λ ndash λ0)
h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)
Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par
moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus
βα
==
G
a
C-4 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip
Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019
Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts
Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport
de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le
coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)
222
0
2
0
)088()561(
)088(190
)(
)()(
λλλ
λλλλλλ
minus+minussdot=
minus+minussdotasymp
a
GC p
Reacutesumeacute
La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du
prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience
environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du
deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une
situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes
comparativement faibles
Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception
optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension
du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse
Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute
et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette
faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa
fiabiliteacute agrave un coucirct minimal
Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine
et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute
par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme
ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production
drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct
Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et
valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun
systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute