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CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUNSYSTEME DE CONVERSION EOLIEN POUR UNE

UNITE DE PRODUCTION ISOLEEMiguel Lopez

To cite this version:Miguel Lopez. CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUN SYSTEME DE CONVERSIONEOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE. Energie lectrique. Universit ParisSud - Paris XI, 2008. Franais.

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THSE DE DOCTORAT

SPECIALITE : PHYSIQUE

Ecole Doctorale Sciences et Technologies de lInformation des

Tlcommunications et des Systmes

Prsente par :

Miguel LOPEZ

Sujet :

CONTRIBUTION A L'OPTIMISATION D'UN SYSTEME DE CONVERSION

EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE

i

Sommaire

Introduction ..................................................................................................................... 1

1 Systmes de Conversion Eoliens .............................................................................. 5

1.1 Introduction ........................................................................................................... 5

1.1.1 Bilan Energtique Mondial ........................................................................... 6

1.1.1.1 Les Utilisations de lEnergie Primaire ...................................................... 6

1.1.1.2 La Production dElectricit ....................................................................... 6

1.1.1.3 Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire ............................................................ 8

1.1.1.4 lIndustrie .................................................................................................. 8

1.1.1.5 Le Transport .............................................................................................. 9

1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energtique .......................................................... 9

1.1.2 Energie et Environnement ............................................................................. 9

1.1.2.1 Limpact de la Consommation dEnergie sur lEnvironnement ............. 10

1.1.3 Gnration Distribue de lElectricit ..................................................... 11

1.1.4 Les Energies Renouvelables ........................................................................ 12

1.1.4.1 Hydraulique ............................................................................................. 14

1.1.4.2 Photovoltaque ......................................................................................... 15

1.1.4.3 lEolien .................................................................................................... 15

1.1.4.4 Environnement et Cot des Energies Renouvelables .............................. 16

1.2 Classement des Turbines Eoliennes .................................................................... 18

1.2.1 Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT) .......................................... 18

1.2.2 Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT) .............................................. 20

1.3 Boite de Vitesses ................................................................................................. 21

1.4 Gnrateurs .......................................................................................................... 22

1.4.1 Gnrateur Asynchrone (IG) ....................................................................... 23

1.4.1.1 Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG) ................................ 23

1.4.1.2 Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG) ................................... 23

1.4.2 Gnrateur Synchrone (SG) ........................................................................ 25

1.4.2.1 Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG) .................................... 25

1.4.2.2 Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG) ......................... 26

1.4.3 Autres Gnrateurs ...................................................................................... 26

1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes ..................... 27

1.5 Systmes de Stockage pour la production dlectricit ....................................... 30

1.5.1 Types de Stockage dEnergie .................................................................. 30

1.6 Applications des Turbines Eoliennes .................................................................. 31

1.6.1 Systmes de Puissance Isols et Emploi de lEnergie Eolienne ................. 31

1.6.1.1 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne ...................................... 33

1.6.1.2 Systmes Hybrides Wind-Diesel ............................................................. 36

ii

1.6.1.3 Evolution de lolien dans les sites isols ............................................... 37

1.6.1.4 Systmes et Exprience ........................................................................... 39

1.6.1.5 Exprience sur les Systmes de Puissance Hybrides .............................. 40

1.6.2 Systmes Eoliens Connects des Grands Rseaux ................................... 43

1.6.2.1 Systmes Distribus ................................................................................ 43

1.6.2.2 Parcs Eoliens ........................................................................................... 44

1.7 Tendances ............................................................................................................ 46

1.7.1 Systme Mcanique ..................................................................................... 46

1.7.2 Systme Electrique ...................................................................................... 47

1.7.3 Intgration de lEnergie Eolienne et Nouvelles Applications ..................... 47

1.8 Conclusion ........................................................................................................... 48

2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien ............................................... 49

Nomenclature .............................................................................................................. 49

2.1 Introduction ......................................................................................................... 50

2.2 Systme de Gnration Eolien Sans Electronique de Commande ...................... 50

2.2.1 Modle du Systme ..................................................................................... 51

2.2.1.1 Systme Mcanique ................................................................................. 52

2.2.1.2 Systme Electrique .................................................................................. 54

2.2.1.3 Paramtres du Systme ............................................................................ 59

2.3 Problme dOptimisation .................................................................................... 63

2.3.1 Contraintes .................................................................................................. 64

2.3.2 Rsultats de lOptimisation ......................................................................... 66

2.3.3 Slection dune paire (M, uS) unique .......................................................... 71

2.4 Adaptation du Problme dOptimisation............................................................. 72

2.4.1 Rsultats ...................................................................................................... 76

2.5 Conclusion ........................................................................................................... 80

3 Commande du Systme de Conversion Eolien ..................................................... 81

3.1 Introduction ......................................................................................................... 81

3.2 Systmes de Gnration Eoliens Commands .................................................... 83

3.2.1 Commande Arodynamique du Rotor ......................................................... 84

3.2.1.1 Commande de lAngle dAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) ....... 86

3.2.1.2 Rgulation Angle Fixe (Passive Stall Control) .................................... 87

3.2.1.3 Commande Stall Active (Active Stall Control) ....................................... 88

3.2.1.4 Commande dOrientation ........................................................................ 88

3.2.2 Commande du Systme Electrique ............................................................. 89

3.2.2.1 Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes Pales

Ajustables ................................................................................................ 90

3.2.2.2 Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes Pales

Fixes ........................................................................................................ 92

3.2.2.3 Structure de Puissance Propose ............................................................. 97

3.2.2.4 Stratgie de Commande Propose ........................................................... 99

3.2.2.5 Rsultats ................................................................................................ 105

3.4 Conclusion ......................................................................................................... 112

iii

4 Mthode Analytique dEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de

Puissance ...................................................................................................................... 113

Nomenclature ............................................................................................................ 113

4.1 Introduction ...................................................................................................... 114

4.2 Mthode Propose ............................................................................................ 115

4.2.1 Calcul des Pertes ........................................................................................... 116

4.2.1.1 Pertes par Conduction dans les Diodes ..................................................... 116

4.2.1.2 Pertes par Conduction dans les Transistors ............................................... 116

4.2.1.3 Pertes par Conduction dans le Redresseur ................................................ 117

4.2.1.4 Pertes par Conduction dans le Hacheur ..................................................... 119

4.2.1.5 Pertes par Conduction dans lOnduleur .................................................... 121

4.2.2 Pertes par Commutation ................................................................................ 123

4.2.2.1 Pertes par Commutation dans le Hacheur ................................................. 124

4.2.2.1 Pertes par Commutation dans lOnduleur ................................................. 124

4.3 Rsultats ........................................................................................................... 125

4.3.1 Pertes dans le Redresseur .............................................................................. 126

4.3.2 Pertes du Hacheur .......................................................................................... 129

4.3.2.1 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire

Transistor/Diode .................................................................................................... 129

4.3.2.2 Comparaison : un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison

Cascade des Convertisseurs Boost et Buck ........................................................... 130

4.3.3 Pertes de lOnduleur ...................................................................................... 136

4.4 Application : Evaluation des Pertes dun Systme Hybride ............................. 141

4.4.1 Description du Systme ................................................................................. 141

4.4.2 Procdure de Dimensionnement des Units .................................................. 142

4.4.3 Evaluation des Pertes du Systme Hybride ................................................... 143

4.5 Conclusion ........................................................................................................ 147

Conclusions et Perspectives ........................................................................................ 149

Rfrences Bibliographiques ...................................................................................... 153

Annexes ........................................................................................................................ 157

Introduction

La croissance constante de la consommation dnergie sous toutes ses formes et les

effets polluants associs, principalement causs par la combustion des nergies fossiles,

sont au cur de la problmatique du dveloppement durable et du soin de

lenvironnement dans une discussion pour lavenir de la plante.

Le secteur de la gnration lectrique est le premier consommateur dnergie primaire et

les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles. Il est techniquement et

conomiquement capable de faire des efforts importants pour rduire les atteintes de

lactivit humaine sur le climat et lenvironnement. Une des possibilits est daccrotre

le taux de production dlectricit partir de ressources de type non-fossiles et

renouvelables.

Dautre part, le processus de libralisation des marchs lectriques, qui a dmarr il y a

quelques annes, permet le dveloppement dune offre nouvelle pour la production

dlectricit. Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas tre raccords au

rseau de transport dlectricit, la connexion est alors faite directement au rseau de

distribution. Ces comportements particuliers se sont progressivement dvelopps et sont

maintenant dfinis sous le nom de Gnration Dcentralise. La situation nouvelle cre

par ce type de gnration en a fait un des sujets les plus tudis dans le domaine des

rseaux lectriques de puissance.

Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possdent des atouts majeurs

pour dvelopper leur participation la production dlectricit et pour intervenir sur le

march de lnergie lectrique. Lhydrolectricit a dj plus dun sicle de

dveloppement et son utilisation est mondialement rpandue. Aujourdhui, les autres

2 Contribution lOptimisation d'un Systme de

sources de gnration renouvelables, notamment le solaire et lolien, sont les nergies

dont le taux de croissance est le plus lev. Leur dveloppement au niveau rsidentiel et

industriel est considrable, particulirement en Europe et aux Etats-Unis. Les systmes

utilisant lnergie du vent reprsentent la technologie en plus forte croissance. Parmi ces

technologies oliennes, de nombreux systmes, de diffrents types ont t conus et

dvelopps tout en prolongeant une exprience dans ce domaine remontant sur plusieurs

sicles.

De nos jours, la forme la plus connue et utilise de technologie olienne est

larognrateur ; i.e. une machine qui obtient de lnergie partir du vent pour gnrer

un courant lectrique. La taille de ces turbines oliennes modernes va de quelques watts

jusqu plusieurs mgawatts. La majorit des systmes commerciaux actuels sont des

turbines oliennes axe horizontal (HAWT) avec des rotors trois pales (tripales). Les

turbines peuvent transfrer de lnergie lectrique un rseau de puissance travers des

transformateurs, lignes de transport et sous-stations associs.

Une grande partie du parc olien actuel est constitu de systmes raccords au rseau

public. Pourtant, un des domaines o les technologies renouvelables peuvent se

dvelopper de faon substantielle est celui de llectrification rurale ou des sites isols.

Quand les mthodes conventionnelles de fourniture dnergie lectrique comme

lextension du rseau et lutilisation de gnrateurs diesel deviennent trop coteuses ou

difficiles implmenter, les technologies renouvelables, capables de gnrer de

llectricit sur place, sont une possibilit trs intressante, tant au niveau technique

quconomique.

Dautre part, les systmes oliens individuels (stand-alone) qui fournissent de

llectricit des petites communauts sont de plus en plus nombreux. En raison de la

caractristique intermittente du vent, des systmes hybrides avec un support diesel,

photovoltaque et/ou avec un moyen de stockage de lnergie sont populaires pour les

zones loignes. Dans la gamme des petites turbines oliennes, la tendance est de

dvelopper des systmes commands de plus en plus efficaces, utilisant des structures

Introduction 3

de conversion dcoupage lectronique pour largir la plage exploitable de vitesses du

vent.

Dans ce contexte, lapport envisag avec ce travail de thse est de collaborer la

conception optimale dun systme de production olien isol de petite taille, pour les

sites o lexpansion du rseau est difficile ou trop coteuse.

Dans le chapitre 1 de ce manuscrit, un bilan sur les formes dnergies les plus

consommes dans le monde est expos. Il est suivi de la prsentation des problmes

environnementaux lis lutilisation de lnergie. Lvolution de lindustrie lectrique

vers un march concurrentiel ouvert est prsente ainsi quun rsum sur les

caractristiques conomiques et environnementales des formes renouvelables dnergie.

Une prsentation gnrale de la technologie olienne actuelle est faite en commenant

par une des classifications la plus couramment utilise. La technologie utilisant les

boites de vitesses pour les turbines oliennes est aussi prsente. Les diffrents types de

gnrateurs lectriques prsents dans les turbines oliennes sont exposs. Les

applications, avec un segment ddi aux systmes isols sont aussi proposes. Un

rsum sur les systmes de stockage est montr. Un sommaire des dernires tendances

et perspectives de dveloppement de lolien est aussi prsent.

Dans le deuxime chapitre, une mthode doptimisation dun systme de conversion de

lnergie olienne de faible taille tension fixe est prsente. Le systme est compos

dlments disponibles commercialement : une petite turbine olienne axe horizontal,

une boite dengrenages dun tage, un gnrateur synchrone aimants permanents, un

pont de diodes et un groupe de batteries. Comme il ny a pas de dispositifs commands,

la conception du systme doit tre soigneusement ralise pour trouver la configuration

qui maximise autant son utilisation que la puissance dlivre. A partir des quations

mcanique et lectrique dfinissant la puissance de lolienne, un problme

doptimisation est donc propos. Ce problme est cibl sur la combinaison optimale du

rapport de transformation de la boite mcanique et de la tension de batterie pour

recueillir la plus grande quantit possible dnergie du systme de conversion. La

puissance mcanique de lolienne est modlise en proposant une nouvelle fonction

4 Contribution lOptimisation d'un Systme de

dapproximation du coefficient de puissance. Le problme doptimisation avec

contraintes est rsolu avec un programme MATLAB spcialement dvelopp pour

lapplication de gnration olienne.

Le chapitre 3 est consacr aux structures commandes de gnration olienne pour leur

application dans un systme de puissance isol de petite taille. Dans ce cas, la

commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de la turbine olienne

par ajustement de la vitesse de rotation du gnrateur aimants permanents. Cette

rgulation de vitesse est ralise par un convertisseur lectronique de puissance

introduit dans la chaine de conversion. Ce convertisseur DC/DC profite de la tension

presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension dentre, de faon

modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander la vitesse de rotation

de son rotor. Une topologie de convertisseur lvateur abaisseur est propose de faon

commander le systme sur toute la plage de vitesses de vent, en suivant la puissance

maximale pour les vents faibles et en rgulant puissance nominale pour les vents forts.

Le dernier chapitre prsente une amlioration du calcul des pertes des convertisseurs

statiques de puissance pour une application un systme dnergie hybride

renouvelable. Lobjectif est dvaluer les pertes nergtiques dans le systme pour

contribuer aux procdures de dimensionnement des lments. Les modles dvelopps

considrent les pertes de conduction et de commutation pour prciser la variation du

rendement des convertisseurs avec les changements de la charge et des sources de

production renouvelables. Cette approche est teste sur plusieurs convertisseurs

lectroniques de puissance et dans un systme hybride pralablement dimensionn. Pour

lapplication au systme hybride, la mthodologie propose est compare sur une base

horaire avec une autre approche base sur un principe de rendement constant en utilisant

un logiciel spcialement dvelopp. Limportance de lvaluation correcte des pertes est

alors dmontre.

1 Systmes de Conversion Eoliens

1.1 Introduction

Le vent est une source dnergie renouvelable, conomique, exploitable avec un bon

niveau de scurit et respectueuse de lenvironnement. Dans le monde entier, les

ressources dnergie olienne sont pratiquement illimites. Les rcents dveloppements

technologiques dans les domaines des turbines oliennes vitesse variable, en

lectronique de puissance et en commande de machines lectriques tendent rendre

lnergie olienne aussi comptitive que lnergie dorigine fossile (Mathew, 2006;

Chen and Blaabjerg, 2006).

LAllemagne est aujourdhui le premier producteur dnergie partir du vent, avec une

puissance installe de 16630 MW, et plus de 15000 turbines en opration (Chen and

Blaabjerg, 2006; Hau, 2006). Elle est suivie par lEspagne avec quelques 8260 MW.

Les Etats-Unis sont en troisime position avec 6740 MW de puissance installe, suivis

par le Danemark avec 3120 MW et lInde avec 3000 MW installs. LEurope concentre

pratiquement le reste de la production mondiale. Les Pays-Bas, le Royaume-Uni et

lItalie progressent fortement en ce domaine. Dautres pays envisagent de dvelopper

considrablement cette source dnergie : par exemple, la Chine et lAustralie (Chen

and Blaabjerg, 2006).

Ce chapitre prsente un bilan des formes dnergies les plus consommes au monde. Il

tablit la corrlation entre lutilisation de lnergie et les problmes environnementaux

qui sensuivent. Les consquences de lvolution de lindustrie lectrique vers un

march concurrentiel ouvert y sont abordes succinctement ainsi que les caractristiques

6 Contribution lOptimisation dun Systme de

conomiques et environnementales des formes renouvelables dnergie. La technologie

olienne actuelle y est prsente sous la forme dune classification couramment

employe. Lintrt de mettre en uvre une boite de vitesses pour les turbines oliennes

y est aussi dmontr. Les diffrents types de gnrateurs lectriques prsents dans les

turbines oliennes y sont exposs. Les applications, avec un segment ddi aux

systmes isols, y sont aussi prsentes. Les diffrents systmes de stockage sont

recenss et les dernires tendances et perspectives de dveloppement de lolien sont

voques.

1.1.1 Bilan Energtique Mondial

Face une demande en constante augmentation et une rpartition ingale entre les

zones gographiques, les Etats se trouvent confronts des enjeux majeurs : quilibrer

leur bilan nergtique, limiter leur dpendance vis--vis de zones politiquement

instables, concilier besoins et respect de lenvironnement et, enfin, prparer linvitable

puisement des ressources actuellement exploites en dveloppant des nergies

alternatives (Mons, 2005).

1.1.1.1 Les Utilisations de lEnergie Primaire

Lnergie primaire rpond aux besoins de quatre grandes catgories de

consommation : production dlectricit, usage domestique, industrie et transports. Dans

le monde, le charbon demeure largement en tte comme source primaire. La figure 1.1

montre la rpartition de la consommation de lnergie par secteur dactivit.

1.1.1.2 La Production dElectricit

Actuellement, la plus grande part de la consommation nergtique mondiale est ddie

la production dlectricit. Labondance des rserves de charbon (dans certaines zones

gographiques) et leur faible cot dexploitation expliquent que le charbon soit

conomiquement avantageux et arrive en tte dans les ressources exploites pour la

Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 7

production dlectricit. En revanche, limpact environnemental du charbon est

nettement en sa dfaveur, mme avec les technologies les plus rcentes, pourtant moins

polluantes. Ensuite vient le gaz naturel ; la turbine gaz cycle combin est la

principale technologie de production dlectricit mise en service dans le monde, en

particulier en Europe. A titre dexemple, en 2000, au Royaume-Uni, 32% de llectricit

tait produite partir du gaz naturel, contre seulement 2% en 1990 (Mons, 2005).

Energie Primaire

Production d'lectricit (29 %)

Ptrole9%Gaz Naturel

19%

Uranium16%

Autres20%

Charbon36%

Residentiel et Tertiaire (26 %)

Autres34%

Electricit14%

Gaz Naturel19%

Ptrole19%

Charbon14%

Industrie (25 %)

Gaz Naturel18%

Electricit17%

Autres17%

Ptrole17%

Charbon31%

Transport (16 %)

Ptrole96%

Gaz4%

Figure 1.1. Les diffrents secteurs de consommation dnergie dans le monde lheure

actuelle

Le nuclaire est le troisime mode de production dlectricit dans le monde. Cest

dailleurs son seul usage, en dehors des applications militaires. Cette technologie est

toutefois rserve aux pays les plus riches, en raison de la complexit du processus et

des investissements ncessaires. La France est le pays qui recourt le plus au nuclaire

pour produire de llectricit (environ 80% de la consommation dnergie lectrique).


Le ptrole est peu utilis pour la production dlectricit. Enfin, les autres nergies sont

surtout reprsentes par les nergies renouvelables, hydrolectricit en tte. Certains

pays, comme la Sude, produisent lessentiel de leur lectricit grce aux barrages et

aux cours deau.

1.1.1.3 Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire

Il arrive en seconde position dans la consommation dnergie primaire. Il est important

de noter ici que llectricit est une forme dnergie secondaire, cependant source

primaire dnergie pour les secteurs rsidentiel et tertiaire et lindustrie

principalement. Dans ce secteur, le chauffage constitue le premier usage et il convient

de rajouter la cuisine. Le fonctionnement des appareils mnagers et informatiques et,

surtout, lclairage font appel llectricit. Les nergies fossiles rpondent surtout au

premier usage, mme si quelques pays dont la France se servent de llectricit pour

le chauffage. La biomasse est aussi largement utilise. La population des pays en voie

de dveloppement recourt massivement au bois en tant que combustible pour les usages

domestiques, ce qui nest pas sans poser de problmes de dforestation (en Afrique

principalement).

1.1.1.4 lIndustrie

Ce secteur qui consomme 25% de lnergie dans le monde prsente le bilan le plus

quilibr. Le charbon est, nanmoins, une nouvelle fois en tte. Cette ressource est trs

largement utilise dans les rgions industrielles des pays mergents, en particulier en

Chine et en Inde. Le ptrole intresse lindustrie pour produire une partie de lnergie

ncessaire mais aussi en tant que matire premire des plastiques et autres produits

drivs : environ 15% du ptrole consomm par lindustrie sert de matire premire.


1.1.1.5 Le Transport

Cest le quatrime grand secteur de consommation, il recourt quasi exclusivement au

ptrole et ses drivs. Cette forte dpendance pose de nombreux problmes lorsque les

cours du ptrole slvent. Les nergies alternatives llectricit et le gaz nont pas

russi simposer dans lautomobile pour linstant.

1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energtique

En gnral, part quelques exceptions, aucun usage nest exclusivement assur par une

source unique dnergie. Cest la raison pour laquelle on assiste des modifications

sensibles de la contribution des diffrentes nergies au bilan nergtique mondial. La

forte progression du gaz naturel, qui se substitue peu peu au charbon dans la

production dlectricit, en est la principale illustration. Les volutions sont toutefois

trs lentes car lnergie est une industrie de long terme. Dans le cas de la production

dlectricit, les centrales ont une dure de vie de lordre de 30 40 ans, voire plus de

50 ans dans le cas des centrales nuclaires.

1.1.2 Energie et Environnement

La prservation de lenvironnement est un des principaux dfis que doit relever

lindustrie nergtique. La consommation dnergie en croissance rgulire est

lorigine dune pollution considrable. Lenjeu est donc de concilier les besoins

nergtiques avec le respect de lenvironnement. Si la prise de conscience semble

dsormais tre une ralit, les actions sont trs longues mettre en place. Dautant que

la responsabilit est collective, car lutilisation rationnelle de lnergie concerne aussi

bien les gouvernements, les producteurs que les consommateurs.


1.1.2.1 Limpact de la Consommation dEnergie sur lEnvironnement

La combustion dnergie fossile est la premire activit humaine responsable de

lmission de gaz effet de serre. Selon lAgence Internationale de lEnergie, la

consommation humaine dnergie fossile a rejet 22639 millions de tonnes de CO2 en

2000 (Mons, 2005).

Les Emissions Gazeuses

Les rejets de la combustion des carburants reprsentent les trois-quarts des missions

humaines de dioxyde de carbone. La concentration de ce gaz dans latmosphre

augmente rgulirement. Actuellement, ce taux est de 0.0365% contre 0.028% au milieu

du XIXme sicle (+ 30%). Le deuxime gaz effet de serre est le mthane (CH4), dont

la concentration a doubl sur la mme priode. Ses missions son gnres par

lagriculture (levage et rizire), les activits nergtiques (fuites de gaz et industrie

charbonnire) et les dchets mnagers (Mons, 2005).

Une polmique a longtemps oppos la communaut scientifique sur la ralit du

rchauffement climatique et la responsabilit des activits humaines. Le groupe

intergouvernemental dexperts sur lvolution du climat (GEIC ou IPCC, de langlais

Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdhui que cet effet constat

depuis une cinquantaine dannes est bien attribuable aux activits humaines.

Cette structure cre en 1988 par lOrganisation Mtorologique Mondiale et le

Programme des Nations Unies pour lEnvironnement a constat que la temprature

moyenne avait augment de 0.6C au cours du sicle prcdent (avec une marge

derreur denviron 0.2C).

Le rchauffement nest toutefois pas uniforme puisquil a t constat en deux phases :

de 1910 1945 et depuis 1976. Le phnomne tend dailleurs sacclrer car la

dcennie 1990 semble tre la plus chaude depuis 1961 lanne 1998 en tte. Les

principales consquences visibles sont la rduction de la couverture neigeuse (-10%


depuis 40 ans), la fonte des glaciers et de la banquise et son corollaire, la hausse du

niveau moyen des ocans (Mons, 2005).

Les Mares Noires

Amoco Cadiz, Exxon Valdez, Erika, reprsentent autant de noms tristement clbres

pour avoir souill la mer et le littoral des ctes. Lhistoire de lindustrie ptrolire est

jalonne de mares noires.

Les consquences de ces accidents sont dsastreuses pour la faune, la flore et les

activits humaines (pche, ostriculture, tourisme, etc.). Cependant, lattribution des

responsabilits est complexe, chacune des parties vitant de les prendre. En matire de

nettoyage et dindemnisation, cest le plus souvent ltat du pays victime de la pollution

qui assume lessentiel des charges. Toutefois, quelques progrs sont raliss,

notamment pour acclrer la disparition des navires simple coque, comme l'Erika.

Nanmoins, les mares noires ne sont quune petite partie des rejets dhydrocarbures en

mer - de 2 6 % du total selon les estimations - lesquelles reprsentent au total entre 2

et 6 millions de tonnes (Mons, 2005). La trs grande majorit des rejets correspond aux

dgazages, en dautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des rsidus de

filtration du fioul lourd.

1.1.3 Gnration Distribue de lElectricit

Le systme de puissance traditionnel intgr verticalement (gnration, transport et

distribution dnergie lectrique) est dans une tape initiale dun processus qui pourrait

tre un changement rvolutionnaire (Masters, 2004). Lpoque des centrales de plus en

plus grandes semble parvenue son terme. Les rseaux de transport et de distribution

commencent souvrir des producteurs indpendants mettant en uvre des centrales

plus petites, moins coteuses et plus efficaces. De nombreux pays se sont engags dans

la voie de la rgulation des rseaux avec lobjectif dencourager la concurrence entre

producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur fournisseur, avec toutefois un

succs dmontrer.


Lindustrie lectrique semble ainsi effectuer un retour en arrire, lorsque lessentiel de

lnergie lectrique tait gnre localement par de petits systmes isols en vue de son

utilisation directe. Les anciens gnrateurs vapeur utiliss pour fournir de la chaleur et

de llectricit ont trouv leurs quivalents modernes sous la forme de micro-turbines,

piles combustible, moteurs combustion interne et petites turbines gaz.

En plus de lintrt conomique, dautres arguments ont plaid en faveur dune

transition vers les systmes dnergie dcentraliss petite chelle ; il sagit notamment

des retombes sur lenvironnement, de la vulnrabilit des systmes dnergie

centraliss en cas dattentat et de la fiabilit de llectricit.

1.1.4 Les Energies Renouvelables

Le dveloppement et lexploitation des nergies renouvelables ont connu une forte

croissance ces dernires annes. Dici 20-30 ans, tout systme nergtique durable sera

bas sur lutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux

nergies renouvelables. Naturellement dcentralises, il est intressant de les mettre en

uvre sur les lieux de consommation en les transformant directement, soit en chaleur,

soit en lectricit, selon les besoins. La production dlectricit dcentralise partir

dnergies renouvelables offre une plus grande sret dapprovisionnement des

consommateurs tout en respectant lenvironnement. Cependant, le caractre alatoire

des sources impose des rgles particulires de dimensionnement et dexploitation des

systmes de rcupration dnergie (Gergaud, 2002).

Une source dnergie est renouvelable si le fait den consommer ne limite pas son

utilisation future. Cest le cas de lnergie du soleil, du vent, des cours deau, de la terre,

de la biomasse humide ou sche, une chelle de temps compatible avec lhistoire de

lhumanit. Ce nest pas le cas des combustibles fossiles et nuclaires.

Lutilisation des nergies renouvelables nest pas nouvelle. Celles-ci sont exploites par

lhomme depuis la nuit des temps. Autrefois, moulins eau, vent, feu de bois, traction


animale, bateaux voile ont largement contribu au dveloppement de lhumanit. Elles

constituaient une activit conomique part entire, notamment en milieu rural o elles

taient aussi importantes et aussi diversifies que la production alimentaire. Mais dans

les pays industrialiss, ds le XIXme sicle, elles furent progressivement marginalises

aux profits dautres sources dnergie que lon pensait plus prometteuses. Depuis lors,

la pollution atmosphrique, le rchauffement climatique, les risques du nuclaire et les

limites des ressources ont fait prendre conscience quun dveloppement conomique

respectueux de lenvironnement, dans lequel nous vivons, est ncessaire.

Les chocs ptroliers successifs observs depuis les annes 70 ont dmontr les risques

conomiques et gopolitiques de la production dnergie reposant sur lexploitation des

ressources fossiles, dont les rserves sont mal rparties et puisables.

De plus, une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccorde aux rseaux

lectriques dont lextension savre trop coteuse pour les territoires isols, peu peupls

ou difficiles daccs. Mme au sein de lEurope occidentale de tels sites isols ne

sont pas exceptionnels. Actuellement deux milliards et demi dhabitants, principalement

dans les zones rurales des pays en dveloppement, ne consomment que 1 % de

llectricit produite dans le monde.

Les nergies renouvelables constituent donc une alternative aux nergies fossiles

plusieurs titres : elles perturbent gnralement moins lenvironnement, nmettent pas

de gaz effet de serre et ne produisent pas de dchets ; elles sont inpuisables ; elles

autorisent une production dcentralise adapte la fois aux ressources et aux besoins

locaux ; elles offrent une importante indpendance nergtique.

Parmi les nergies renouvelables, trois grandes familles mergent : lnergie dorigine et

finalit mcanique ( partir du vent, des mouvements de leau), lnergie finalit

lectrique ( partir de panneaux photovoltaques, doliennes, de barrages

hydrauliques) et lnergie dorigine et finalit thermique (gothermie, solaire

thermique). La plupart de ces formes dnergie proviennent du soleil, quelques

exceptions prs (mares, gothermie). Etant donn que lnergie sous forme


mcanique est trs difficilement transportable, elle nest utilisable que localement

(pompage direct de leau, moulins). Cest pourquoi, pour lessentiel, elle est

transforme en nergie lectrique. A lexception de la biomasse et de lhydraulique, un

inconvnient majeur des nergies renouvelables provient de la non-rgularit des

ressources. De plus, les fluctuations saisonnires et journalires de la demande en

puissance ne sont pas forcment synchronises avec les ressources. Par exemple, en

hiver, le besoin nergtique est plus important pour le chauffage et lclairage alors que

les journes densoleillement sont plus courtes. La diversification des sources permet

statistiquement de limiter ces inconvnients. Il peut sagir notamment de coupler des

panneaux photovoltaques avec une olienne (Mirecki, 2005). Le stockage de lnergie

lectrique supprime ces inconvnients lorsque la technologie le permet.

Les formes dnergie renouvelables finalit lectrique qui sont actuellement les plus

exploites tout en respectant au mieux lenvironnement sont lhydraulique, le solaire

photovoltaque et lolien. Ces trois formes dnergie sont prcises dans ce qui suit.

1.1.4.1 Hydraulique

Leau, comme lair, est en perptuel mouvement. Par rapport lair, sa densit plus

importante en fait un excellent vecteur dnergie. Les barrages sur les rivires ont une

capacit importante pour les pays riches en cours deau qui bnficient ainsi dune

source dnergie propre et stockable . Cette ressource reprsentait en 1998 environ

20% de la production mondiale de lnergie lectrique (Mirecki, 2005). Certains pays

dont la France sont dj saturs en sites hydrolectriques exploitables et ne

peuvent pratiquement plus progresser de manire importante dans ce domaine. Les sites

de faible puissance (infrieure 10kW) sont bien adapts aux petits rseaux isols. En

1999, lEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installe. A

lhorizon 2100, cette puissance pourrait passer 13000 MW.


1.1.4.2 Photovoltaque

Lnergie photovoltaque est obtenue directement partir du rayonnement solaire. Les

panneaux photovoltaques, composs de cellules photovoltaques base de silicium, ont

la capacit de transformer lnergie photonique en nergie lectrique. Le courant

continu ainsi produit est directement utilisable. La fabrication des panneaux solaires est

actuellement coteuse bien que la matire premire (silice) soit abondante et peu

onreuse. Cela sexplique par une nergie significative ncessaire la production des

cellules. De rels progrs ont toutefois t raliss. lheure actuelle, il faut quand

mme 5 8 ans pour quun panneau produise lnergie que sa construction a utilise.

Un autre inconvnient est celui de la pollution la production qui est due la

technologie employe. Des avances technologiques sont en cours de ralisation. En

raison des caractristiques lectriques fortement non linaires des cellules et de leurs

associations, le rendement des systmes photovoltaques peut tre augment par les

solutions utilisant la technique dsormais classique et prouve de recherche du point de

puissance maximale (Maximum Power Point Tracker : MPPT). Cette solution est

galement utilisable pour la production dnergie olienne.

Les panneaux solaires sont faciles mettre en uvre. Leur intgration dans un btiment

peut aussi ajouter une touche esthtique. Ils apportent une bonne rponse aux besoins

nergtiques limits dans les sites isols et disperss (tlcommunication, balises

maritimes).

Lnergie photovoltaque est en trs forte progression : en 2001, lEurope comptait

environ 250 MW installs ; en 2003, ce chiffre est mont 560 MW (Mirecki, 2005).

1.1.4.3 lEolien

La ressource olienne provient du vent, lequel est d indirectement lensoleillement de

la Terre : une diffrence de pression se cre entre certaines rgions de la plante, en

fonction du rchauffement ou du refroidissement local, mettant ainsi des masses dair en

mouvement. Exploite depuis lantiquit puis longtemps nglige, cette nergie connat


depuis environ 30 ans un essor sans prcdent notamment d aux premiers chocs

ptroliers. lchelle mondiale, lnergie olienne maintient un taux de croissance de

30% par an depuis une dizaine dannes. LEurope, principalement sous limpulsion

allemande, scandinave et espagnole, comptait environ 15000 MW de puissance installe

en 2000. Ce chiffre a presque doubl en 2003, soit environ 27000 MW pour 40000MW

de puissance installe dans le monde. Les prvisions pour 2010 font tat dune

puissance olienne installe en Europe de lordre 70000 MW (Mirecki, 2005).

1.1.4.4 Environnement et Cot des Energies Renouvelables

Vis--vis du respect de lenvironnement, les nergies renouvelables ont un avantage

majeur, mme si leur intrt conomique court terme nest pas toujours avr. Ainsi,

en 2001, les oliennes installes au Danemark un des pays parmi les mieux quips

ont permis dviter 3.5 millions de tonnes de CO2, 6450 tonnes de SO2, 6000 tonnes

doxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons, 2005).

Si lon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffrentes

technologies, lnergie olienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par

kWh (Mons, 2005). La biomasse est galement trs bien place car elle ne contribue pas

au rchauffement climatique dans la mesure o le bois, pendant sa croissance, fixe une

quantit au moins quivalente de CO2. Seul le nuclaire est en mesure de rivaliser avec

les nergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 mis par kWh. Cependant, la

production dlectricit nuclaire gnre des dchets radioactifs peu complexes grer

mais sources dinquitudes pour lavenir (en particulier ceux vie longue, hautement

radioactifs).

Les nergies renouvelables, hors lhydrolectricit, se heurtent cependant plusieurs

obstacles, dont le plus important est incontestablement conomique. A lheure actuelle,

elles sont peu ou pas rentables. A lexception de lhydrolectricit dj largement

exploite , les nergies renouvelables souffrent de la comparaison conomique avec

dautres sources dnergie. Quelques exemples suffisent rvler les carts.


Cots dInvestissement et dExploitation

Alors que le cot dinvestissement dun cycle combin au gaz naturel est infrieur 500

/kW (Mons, 2005), il est gnralement compris entre 1000 et 3000 /kW pour lolien

et entre 3000 et 5000 /kW pour le photovoltaque.. Actuellement, le cot moyen du

kWh nuclaire est de lordre de 3 4 centimes deuro (c) et de 4 8 c, selon le site,

dans le cas du kWh dorigine olienne, la plus comptitive des nergies renouvelables

hors hydrolectricit. Toutefois, lolien peut rivaliser avec la production dlectricit

partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du march.

Les cots de production de llectricit partir des autres nergies renouvelables sont

encore plus hauts (15 c pour la gothermie et jusqu 65 c pour le photovoltaque).

Les progrs sont nanmoins trs rapides et lolien est dsormais proche des nergies

classiques. En un peu plus de 20 ans, le cot du kWh olien a diminu de prs de 90%

(38 c en 1980). De la mme manire, les prix des panneaux photovoltaques baissent

denviron 4% par an depuis 15 ans grce aux effets de srie (Mons, 2005).

Impact sur lEnvironnement

La comptitivit des nergies renouvelables pourrait tre dope si les cots annexes des

diffrentes nergies taient pris en compte. La Commission Europenne estime le

surcot li la dgradation de lenvironnement : entre 2 et 15 c pour une centrale au

charbon, entre 3 et 11 c pour une centrale au fioul, au maximum 2.5 c pour les

nergies renouvelables (Mons, 2005). La hirarchie des cots de production du kWh

partir des diffrentes nergies sen trouve compltement modifie. La plupart des

nergies renouvelables sont alors plus comptitives que les centrales au charbon et au

fioul. Actuellement, ces cots annexes ne sont pas retenus mais des rflexions sont

menes sur la mise en place de certificats verts (quotas de production dlectricit

partir de renouvelables).

Outre leur manque de comptitivit conomique, les nergies renouvelables en

particulier lolien et le solaire ont un inconvnient srieux : lintermittence. Leur

disponibilit est, en effet, irrgulire puisquelle dpend de la vitesse du vent et de

lensoleillement. En dpit de ces dsagrments, des entreprises spcialises dans la


construction olienne ont merg, en particulier en Allemagne, au Danemark et en

Espagne. Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubl son chiffre daffaires depuis

2000 pour atteindre 1.7 milliards deuros en 2003. Lutilisation de moyens de stockage

permet de rduire les inconvnients de lintermittence des sources dnergie (Breeze,

2005 ; Ribeiro et. al, 2001).

1.2 Classement des Turbines Eoliennes

Aprs ses premires utilisations lpoque de la Perse Antique, la technologie qui

permet de profiter de lnergie du vent a volu sous diverses formes et types de

machines. La structure de base des turbines oliennes consiste aujourdhui en un rotor

pour capter lnergie du vent en la transformant en nergie en rotation, un systme

dengrenage pour dmultiplier la vitesse de rotation du rotor, une machine lectrique

pour convertir lnergie mcanique en lectricit. Un schma de principe est donn la

figure 1.2. Il existe diffrentes faons de classer les turbines oliennes mais celles-ci

appartiennent principalement deux groupes selon lorientation de leur axe de rotation :

celles axe horizontal et celles axe vertical.

Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox

Electric grid or load

Figure 1.2. Schma de principe dun systme olien

1.2.1 Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT)

Une turbine axe de rotation horizontal demeure face au vent, comme les hlices des

avions et des moulins vent. Elle est fixe au sommet dune tour, ce qui lui permet de


capter une quantit plus importante dnergie olienne. La plupart des oliennes

installes sont axe horizontal. Ce choix prsente plusieurs avantages, comme la faible

vitesse damorage (cut-in) et un coefficient de puissance (rapport entre la puissance

obtenue et la puissance de la masse dair en mouvement) relativement lev (Mathew,

2006). Toutefois, la boite de vitesses et la machine lectrique doivent tre installes en

haut de la tour, ce qui pose des problmes mcaniques et conomiques. Par ailleurs

lorientation automatique de lhlice face au vent ncessite un organe supplmentaire

( queue , yaw control ).

Selon son nombre de pales, une HAWT est dite mono-pale, bipale, tripale ou multi-pale.

Une olienne mono-pale est moins coteuse car les matriaux sont en moindre quantit

et, par ailleurs, les pertes arodynamiques par pousse (drag) sont minimales.

Cependant, un contrepoids est ncessaire et ce type dolienne nest pas trs utilis

cause de cela. Tout comme les rotors mono-pales, les rotors bipales doivent tre munis

dun rotor basculant pour viter que lolienne ne reoive des chocs trop forts chaque

fois quune pale de rotor passe devant la tour (Windpower, 2007). Donc, pratiquement

toutes les turbines oliennes installes ou installer prochainement sont du type tripale.

Celles-ci sont plus stables car la charge arodynamique est relativement uniforme et

elles prsentent le coefficient de puissance le plus lev actuellement.

Suivant leur orientation en fonction du vent, les HAWT sont dites en amont (up-

wind) ou en aval (down-wind). La figure 1.3 montre les deux types mentionns. Les

premires ont le rotor face au vent ; puisque le flux dair atteint le rotor sans obstacle, le

problme de lombre de la tour (tower shadow) est bien moindre. Nanmoins, un

mcanisme dorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au

vent. Les oliennes rotor en aval nont pas besoin de ce mcanisme dorientation mais

le rotor est plac de lautre cot de la tour : il peut donc y avoir une charge ingale sur

les pales quand elles passent dans lombre de la tour. De ces deux types doliennes,

celle en amont est largement prdominante.


Figure 1.3. Turbines oliennes en amont et en aval

1.2.2 Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT)

Laxe de rotation dune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire la

direction du vent. Ce type de turbine peut recevoir le vent de nimporte quelle direction,

ce qui rend inutile tout dispositif dorientation. Le gnrateur et la boite dengrenages

sont disposs au niveau du sol, ce qui est plus simple et donc conomique (Mathew,

2006). La maintenance du systme est galement simplifie dans la mesure o elle se

fait au sol. Ces turbines ne disposent pas de commande dangle de pale comme certaines

HAWT. La figure 1.4 montre trois conceptions de VAWT.

Un inconvnient, pour certaines VAWT, est de ncessiter un dispositif auxiliaire de

dmarrage. Dautres VAWT utilisent la pousse (drag) plutt que la portance

arodynamique (lift, effet qui permet un avion de voler), ce qui se traduit par une

rduction du coefficient de puissance et un moindre rendement. La majorit des VAWT

tourne faible vitesse, ce qui est trs pnalisant dans les applications de gnration

dlectricit avec connexion au rseau public (50 ou 60 Hz) car la boite de vitesses doit

permettre une importante dmultiplication. Le faible rendement arodynamique et la

quantit de vent rduite quelles reoivent au niveau du sol constituent les principaux

handicaps des VAWT face aux HAWT.


Figure 1.4. Turbines axe vertical (Source: Hau, 2006)

1.3 Boite de Vitesses

La boite de vitesses est un composant important dans la chane de puissance dune

turbine olienne. La vitesse de rotation dune turbine olienne typique est de lordre de

quelques tours/mn quelques certaines de tours/mn selon ses dimensions (Breeze,

2005 ; Mathew, 2006) alors que la vitesse optimale dun gnrateur conventionnel se

situe entre 800 et 3600 tours/mn. En consquence, une boite de vitesses lvatrice est

habituellement ncessaire pour adapter les deux vitesses de rotation.

La boite de vitesses dune turbine olienne doit tre extrmement robuste (heavy duty).

Lidal serait que le gnrateur lectrique puisse aussi fonctionner vitesse variable

comme celle du vent. Cette approche implique toutefois un convertisseur lectronique

pour adapter la frquence de fonctionnement du gnrateur celle du rseau. Le surcot

nest pas ngligeable.

Dans les turbines de taille moyenne et grande, la relation de vitesses dsire est obtenue

par lintroduction dun systme dengrenage 2 ou 3 tages. Si un rapport plus lev est

ncessaire, un ensemble dengrenages dans un autre arbre intermdiaire peut

sintroduire dans le systme. Nanmoins, le rapport entre un ensemble dengrenages est

contraint normalement 1:6 (Mathew, 2006). De plus, les engrenages picyclodaux

peuvent transmettre de manire fiable des grandes charges. De nos jours, des boites


haute performance avec des rapports de 1:100 et plus sont utilises sur les grands

gnrateurs.

La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une turbine olienne (Breeze,

2005 ; Hau, 2006). Les problmes constats proviennent dun mauvais

dimensionnement de la boite vis--vis de son spectre de charge. Dans les turbines

oliennes, il est difficile destimer les fortes charges dynamiques que la boite doit

supporter. Historiquement, les premires boites taient sous-dimensionnes.

Lexprience des casses qui sensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir un

dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau, 2006).

Les diffrentes configurations, une mthode de dimensionnement, des chiffres pour le

rendement des boites de vitesses utilises dans les applications oliennes et le concept

dentranement direct (gearless) sont donns dans lannexe A.

1.4 Gnrateurs

Lapplication la plus frquente des turbines oliennes est aujourdhui la production

dlectricit. Pour cela, lutilisation dune machine lectrique est indispensable. Les

gnrateurs habituellement rencontrs dans les oliennes sont prsents dans ce qui suit.

Diffrents types de machines lectriques peuvent tre utiliss pour la gnration de

puissance olienne. Des facteurs techniques et conomiques fixent le type de machine

pour chaque application. Pour les petites puissances (< 20 kW), la simplicit et le cot

rduit des gnrateurs synchrones aimants permanents (PMSG) expliquent leur

prdominance. Dans les applications de plus forte puissance, jusqu 2 MW environ, le

gnrateur asynchrone est plus courant et conomique.


1.4.1 Gnrateur Asynchrone (IG)

Le gnrateur induction est largement utilis dans les turbines oliennes de moyenne

et grande puissance en raison de sa robustesse, sa simplicit mcanique et son cot

rduit. Son inconvnient majeur est la consommation dun courant ractif de

magntisation au stator.

1.4.1.1 Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG)

Jusqu prsent le SCIG correspond au choix prpondrant de par sa simplicit, son bon

rendement et une maintenance rduite (Ackermann, 2005). La demande de puissance

ractive est compense par la connexion dun groupe de condensateurs en parallle avec

le gnrateur (Figure 1.5), ou par la mise en uvre dun convertisseur statique de

puissance (Figure 1.7).

Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load

Figure 1.5. Systme de conversion olien avec SCIG vitesse fixe

1.4.1.2 Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG)

Grce un systme de bagues et balais, la tension applique au rotor peut tre

commande par un convertisseur lectronique de puissance. De lnergie pouvant ainsi

tre applique ou extraite du rotor, le gnrateur peut se magntiser par le rotor comme

par le stator (Ackermann, 2005).


Gnrateur Asynchrone Doublement Aliment (DFIG)

Une des configurations en forte croissance dans le march des turbines oliennes est

connue sous le nom de gnrateur asynchrone doublement aliment (DFIG). Celui-ci est

un WRIG dont le stator est reli directement au rseau de puissance et dont le rotor est

connect un convertisseur de type source de tension (VSC) en back-to-back , qui

fait office de variateur de frquence. La double alimentation fait rfrence la tension

du stator prleve au rseau et la tension du rotor fournie par le convertisseur. Ce

systme permet un fonctionnement vitesse variable sur une plage spcifique de

fonctionnement. Le convertisseur compense la diffrence des frquences mcanique et

lectrique par linjection dun courant frquence variable au rotor (Figure 1.6).

Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~

Figure 1.6. Systme avec DFIG pour lopration vitesse variable

Les points forts du DFIG sont :

a) Sa capacit de commander la puissance ractive et, de cette faon, de dcoupler

la commande des puissances active et ractive.

b) Il peut se magntiser partir du rotor sans prlever au rseau la puissance

ractive ncessaire.

c) Il est capable dchanger de la puissance ractive avec le rseau pour faire la

commande de tension.

d) La taille du convertisseur nest pas simplement en rapport avec la puissance

totale du gnrateur, mais aussi avec la gamme de vitesse choisie. En fait, le

cot du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de la vitesse de


synchronisme. Son inconvnient rside dans la prsence obligatoire de bagues et

balais.

1.4.2 Gnrateur Synchrone (SG)

Lavantage du gnrateur synchrone sur lIG est labsence de courant ractif de

magntisation. Le champ magntique du SG peut tre obtenu par des aimants ou par un

bobinage dexcitation conventionnel. Si le gnrateur possde un nombre suffisant de

ples, il peut sutiliser pour les applications dentranement direct (direct-drive) qui ne

ncessitent pas de boite de vitesses (gearless). Le SG est toutefois mieux adapt la

connexion indirecte au rseau de puissance travers un convertisseur statique (Figure

1.7), lequel permet un fonctionnement vitesse variable. Pour des units de petites

tailles, le gnrateur aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coteux.

Au-del de 20 kW (environ), le gnrateur synchrone est plus coteux et complexe

quun gnrateur asynchrone de taille quivalente (Ackermann, 2005).

Rotor

Gearbox

PMSG / WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~

Figure 1.7. Systme avec gnrateur synchrone pour un fonctionnement vitesse

variable

1.4.2.1 Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG)

La connexion directe au rseau de puissance implique que le GS tourne vitesse

constante, laquelle est fixe par la frquence du rseau et le nombre de ples de la

machine. Lexcitation est fournie par le systme de bagues et balais ou par un systme


brushless avec un redresseur tournant. La mise en uvre dun convertisseur dans un

systme multipolaire sans engrenages permet un entranement direct vitesse variable.

Toutefois, cette solution implique lutilisation dun gnrateur surdimensionn et dun

convertisseur de puissance dimensionn pour la puissance totale du systme.

1.4.2.2 Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG)

La caractristique dauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur

de puissance lev et un bon rendement, ce qui le rend propice lapplication des

systmes de gnration olienne (Ackermann, 2005). En fait, dans la catgorie des

petites turbines, son cot rduit et sa simplicit en font le gnrateur le plus employ.

Cependant, dans les applications de plus grande puissance, les aimants et le

convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance gnre), en font le moins

comptitif.

1.4.3 Autres Gnrateurs

Les oliennes raccordes au rseau de puissance ncessitent un transformateur lvateur

pour adapter la tension de la machine celle du rseau. En consquence, la mise en

uvre de gnrateurs haute tension est une solution en cours dvaluation. Cela

permettrait, en consquence, de diminuer les pertes par effet joule du systme en

liminant le transformateur. Cest aussi au niveau de londuleur que cela peut-tre

intressant avec des IGBT haute tension. Dans cette optique, les machines synchrones et

induction sont des options intressantes pour des turbines oliennes de plus de 3 MW.

Cependant, leur cot lev, des problmes de scurit et de dure de vie limitent leur

commercialisation (Ackermann, 2005).

Les caractristiques du gnrateur rluctance commute (SRG) sont la robustesse, une

structure simple, un rendement lev, des cots rduits et la possibilit de fonctionner

sans boite dengrenages (Ackermann, 2005). Toutefois, son adaptation aux turbines

oliennes na pas t tudie en dtail. Les inconvnients consistent en une densit de


puissance et un rendement infrieurs ceux du PMSG. De plus, il ncessite un

convertisseur dimensionn pour toute la puissance gnre.

Lutilisation du gnrateur flux transversal (TFG) est aussi ltude. Il sagit dune

option intressante, encore peu voque pour une application aux systmes de

gnration olienne. Ce gnrateur autorise un nombre de ples lev pour une

application gearless. Cependant, le nombre de composants ncessaires et une

technologie encore ses dbuts en limitent son application (Ackermann, 2005).

1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes

Trois types de machines lectriques se retrouvent principalement dans une olienne de

petite taille (


centre de la machine. Il est possible dimmobiliser le rotor en prsence de vents

modrs de faon raliser la maintenance de la turbine.

Certains fabricants affirment que les alternateurs aimants permanents sont les

meilleures machines pour de petites oliennes en raison dun entretien rduit.

Lentretien dune gnratrice courant continu est plus frquent puisqu'il faut remplacer

les balais tous les 6 ou 10 ans. Toutefois, ce remplacement ne prsente pas de difficults

particulires. Pour le fabricant, le principal avantage des alternateurs aimants

permanents rside dans leur cot relativement faible : les aimants sont moins coteux

que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des petites oliennes. Il y a

galement dautres avantages pour lutilisateur : le freinage dynamique et la production

dun courant alternatif plutt que continu, ce qui reprsente des conomies lachat du

cble lectrique reliant lolienne larmoire lectrique.

Cependant, contrairement aux alternateurs aimants permanents dans lesquels

linduction dexcitation demeure constante, linduction magntique dans lalternateur

rotor bobin peut tre module selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de

lolienne.

Un avantage des alternateurs inducteur bobin est leur capacit de dmarrage par

vents faibles. Ceci sexplique par le fait quil ny a presque pas de flux magntique

dvelopp par linducteur, donc une trs faible rsistance au mouvement pour

larmature en rotation. Linduction magntique peut tre augmente au fur et mesure

que les vents se renforcent. En consquence, la gnratrice rotor bobin permet de

dlivrer une puissance voluant comme le cube de la vitesse du vent, multipliant par 8 la

puissance recueillie en sortie de la gnratrice lorsque la vitesse du vent double. Les

alternateurs aimants permanents prsentent une induction magntique constante quelle

que soit la vitesse de rotation du rotor. Le rotor est donc plus difficile dmarrer et

lalternateur nest performant que dans une gamme limite de puissance. Les autres

points de fonctionnement ne correspondent qu des compromis lors du

dimensionnement, ce qui est particulirement pnalisant en cas de vents moyens ou

faibles, c'est--dire le plus souvent pour une olienne.


Afin de limiter ce problme, les fabricants qui utilisent des alternateurs aimants

permanents conoivent les pales pour maximiser le couple de dmarrage afin que le

rotor puisse dmarrer vent rduit. Cette conception dhlice a aussi un impact sur le

rendement arodynamique des vitesses de vent plus leves.

Quant aux alternateurs excitation sans balais, ils cumulent les avantages des deux

types de machines. Ils possdent un inducteur bobin et nont pas de balais. Cependant,

comparativement aux alternateurs aimants permanents, les alternateurs sans balais

sont plus complexes. Ils sont donc plus coteux, lachat comme lentretien.

1.5 Systmes de Stockage pour la production dlectricit

Le stockage dlectricit prsente plusieurs attraits importants pour la gnration, la

distribution et lutilisation de lnergie lectrique. Pour le rseau public, par exemple,

une installation de stockage dnergie est utile pour conserver llectricit gnre

durant les priodes creuses de consommation afin de la restituer lors des fortes

demandes. Le stockage dnergie permet de fournir de lnergie de soutien (back-up) en

cas de panne de rseau ; le stockage dnergie est la seule rponse possible une perte

du rseau dalimentation lectrique. Le stockage dnergie joue aussi un rle important

dans la gnration dlectricit partir de sources renouvelables (Breeze, 2005 ; Ribeiro

et. al., 2001). La nature intermittente des sources renouvelables comme le solaire,

lolien et les mares rendent ncessaire une forme de stockage.

Cependant, le stockage de lnergie nest pas encore largement rpandu. La

disponibilit et le cot lev des diffrentes technologies expliquent en partie cet tat de

fait. Avant les annes 1980, le pompage de leau dans les centrales hydrauliques

constituait pratiquement le seul systme de stockage de lnergie lectrique grande

chelle. Depuis, dautres systmes se sont dvelopps et les applications domestiques

sont en plein dveloppement mais le cot reste un handicap.


1.5.1 Types de Stockage dEnergie

Llectricit doit tre consomme au moment mme de sa gnration. Le rseau

lectrique doit donc tre rgul en permanence et les systmes de dispatching

quilibrent la demande dlectricit et sa production. Disposer dune rserve

dlectricit apparat comme un atout majeur pour le fonctionnement du rseau.

Cependant, le stockage de llectricit est difficile matriser.

Les deux moyens ralistes de stockage lectrique utilisent pour lun : une bobine

(ventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserv un courant continu ; pour

lautre : un condensateur aux bornes duquel est conserve une tension continue. Les

autres systmes de stockage passent par une autre forme dnergie (cintique,

chimique) : lnergie doit alors tre reconvertie en lectricit pour tre restitue.

Une batterie rechargeable donne lillusion de stocker de llectricit ; en ralit, elle

conserve lnergie sous une forme chimique. Une centrale hydraulique pompage

utilise lnergie potentielle. Un volant dinertie conserve lnergie cintique. Un

systme de stockage air comprim (CAES, de Compressed Air Energy Storage)

conserve une autre forme dnergie potentielle.

Parmi toutes ces solutions de stockage dlectricit, plusieurs sont dj disponibles au

niveau commercial, dautres sont encore au stade du dveloppement. Chacune a ses

avantages et ses inconvnients.

Pour le stockage grande chelle, trois technologies sont actuellement disponibles

(Breeze, 2005) : le stockage par pompage deau, par air comprim et, dans une moindre

mesure, dans des grandes batteries. Les batteries, les volants dinerties et les systmes

de stockage capacitif sont aussi utiliss dans les petites et moyennes installations de

stockage dnergie. Le stockage dnergie sous forme magntique laide de bobinage

supraconducteur (SMES, de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utilis

dans des installations de petite taille et serait envisageable dans de plus grandes

installations mais il a encore un cot lev (Breeze, 2005 ; Ribeiro et. al., 2001).


Pour les systmes isols de petite puissance qui utilisent des nergies renouvelables, le

moyen de stockage habituellement utilis repose sur la mise en uvre de batteries. En

particulier, les batteries au plomb prsentent lavantage dune grande disponibilit et

celui dun rapport prix/dure de vie satisfaisant. Un tat de lart des diffrentes formes

de stockage et un bilan des technologies de batteries se trouvent dans lannexe B.

1.6 Applications des Turbines Eoliennes

la diffrence des sicles passs, il nest plus ncessaire dinstaller les systmes oliens

prcisment sur le lieu dutilisation de lnergie. Les systmes oliens sont maintenant

utiliss pour gnrer de lnergie lectrique qui est transfre par un rseau lectrique

sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs.

Les systmes de gnration olienne individuels (stand-alone) qui fournissent de

llectricit de petites communauts sont assez rpandus. La caractristique

intermittente du vent est lorigine de systmes hybrides avec un soutien diesel et/ou

photovoltaque pour lutilisation dans des endroits isols. Pour augmenter la puissance,

les turbines oliennes peuvent tre regroupes en parcs oliens et transfrer lnergie au

rseau public travers leurs propres transformateurs, lignes de transport et sous-

stations. Les parcs oliens tendent se dplacer vers des sites marins (off-shore) pour

capter davantage dnergie du vent.

1.6.1 Systmes de Puissance Isols et Emploi de lEnergie Eolienne

Les systmes de puissance isols aliments en lectricit par des moyens oliens et

autres formes dnergie renouvelable mergentes sont aujourdhui des options

techniquement fiables. Ces systmes sont frquemment perus comme plus appropris

pour lalimentation locale de puissance dans les pays en dveloppement. Le progrs

technologique leur assure un potentiel important comme lments de gnration

distribus pour les grands rseaux de puissance dans les pays dvelopps.


Durant les dernires annes, dimportants efforts ont t mens pour limplmentation

de lnergie olienne dans des systmes de puissance locaux et rgionaux travers

lintgration de systmes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann, 2005).

De nombreux travaux ont t publis et il existe une littrature abondante sur le sujet.

Les tudes et le dveloppement des systmes oliens pour les clients isols sont

nanmoins raliss majoritairement au cas par cas et il est difficile de gnraliser les

rsultats dun projet lautre.

Dans le domaine de llectrification rurale, il existe normalement deux mthodes pour

fournir de lnergie lectrique :

a) Extension du rseau de puissance

b) Utilisation de gnrateurs diesel.

Pour des lieux loigns ces deux solutions peuvent tre excessivement onreuses.

Lintroduction de technologies renouvelables peut contribuer diminuer les cots de

fourniture dnergie pour ces sites isols en rduisant les cots de fonctionnement. Les

technologies renouvelables, autres que la biomasse, sont dpendantes dune source non-

fatale (dispatchable) ; la combinaison dune technologie renouvelable de cot faible

avec une technologie non-fatale plus coteuse reprsente donc une option intressante.

Les systmes de puissance qui utilisent plusieurs sources de gnration sont appels

systmes de puissance hybrides . Pour fournir de llectricit une communaut

loigne, ces systmes intgrent diffrents composants : production, stockage,

conditionnement de puissance et systmes de commande.

Les systmes hybrides classiques sont composs dun bus courant continu (DC) pour

le groupe de batteries et dun autre courant alternatif (AC) pour le gnrateur et la

distribution. Cependant, les rcents progrs dans les domaines de llectronique de

puissance et des systmes de commande permettent de rduire les cots avec une

structure employant un seul bus AC. Les sources renouvelables peuvent tre connectes

au bus AC ou au bus DC, selon la taille et la configuration du systme. Les systmes


produisant de lnergie pour plusieurs maisons et/ou points de consommation

fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif ; quelques charges

peuvent toujours se raccorder au bus DC. Ce type de systme peut produire quelques

kilowattheures (kWh) jusqu plusieurs mgawattheures (MWh) par jour.

Les systmes qui alimentent de petites charges, de lordre de quelques kWh/jour,

utilisent de prfrence le bus DC uniquement. Pour des charges plus importantes, les

systmes utilisent plutt le bus AC comme point principal de connexion. La tendance

est alors que chaque source possde son convertisseur avec sa propre commande

intgre, ce qui permet une coordination de la production. Des carts importants existent

entre les diffrentes configurations possibles.

Taux de Pntration du Vent

La quantit dnergie rcupre par les technologies associes aux sources

renouvelables dans les systmes de puissance isols influence la structure, la

performance et lconomie du systme. Le taux de pntration du vent relie la puissance

produite par des moyens de gnration oliens et la puissance totale du systme de

puissance.

Le rapport de pntration instantane (Pwind/Pload) est une mesure technique qui

dtermine la structure, les composants et les principes de commande utiliser pour le

systme. Le rapport de pntration moyenne (Ewind/Eload) est une mesure de type

conomique qui dtermine le cot de lnergie du systme et indique le pourcentage de

la gnration qui sera produite par la source renouvelable. La dtermination du niveau

optimal de pntration moyenne de lolien dpend de lcart entre le cot dinstallation

de la puissance olienne et les conomies associes au remplacement du carburant par

lnergie renouvelable.

1.6.1.1 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne

Dans les systmes utilisant un bus DC, le groupe de batteries joue le rle de rservoir de

puissance qui permet damortir les fluctuations du flux de charge trs court terme et


long terme. La rgulation est ralise de manire autonome, selon quelques paramtres

spcifiques de la batterie.

Pour les systmes courant alternatif, lobjectif est dobtenir un quilibre de la

production nergtique, rglant la tension et la frquence. Pour obtenir une tension

une amplitude et une frquence stables, diverses mthodes sont utilises, comme les

condensateurs synchrones, des groupes de batteries contrlables, mcanismes de

stockage, des convertisseurs lectroniques de puissance et des systmes de commande.

Dans certains cas, de petites turbines oliennes, de puissance allant jusqu 20 kW, sont

directement raccordes aux dispositifs de charge. Les exemples les plus courants sont

pour le pompage de leau, mais dautres applications comme la fabrication de glace,

chargement de batteries et compression dair sont prises en compte.

Systmes Hybrides DC pour des Petites Communauts Isoles

La figure 1.8 montre un systme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison

en courant alternatif travers un onduleur. La majorit de ces systmes prsente une

structure o le bus DC de la batterie est le point central de connexion. En gnral, les

petites oliennes produisent de llectricit en AC frquence variable, laquelle est

redresse et applique au bus DC. Cette nergie est ensuite stocke ou reconvertie en

AC ( amplitude et frquence fixes) travers un onduleur pour fournir de lnergie la

charge.

La commande de ces petits systmes est faite en fonction de ltat de charge de la

batterie. Le gnrateur olien doit limiter sa tension de sortie et driver la puissance

produite lorsque la batterie est compltement charge et ne peut donc plus stocker

dnergie. A loppos, londuleur et la charge doivent se dconnecter pour arrter la

dcharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infrieur prdfini. Ces

deux proprits impliquent une conception adapte du systme, optimisant ainsi les

ressources nergtiques et conduisant une quantit minimale dnergie non fournie.


Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller

Figure 1.8. Systme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et

gnrateur diesel

Systmes Hybrides AC pour des Petites Communauts Isoles

Dans cette topologie (mini-rseau), les diffrentes sources de production sont

raccordes au bus commun de distribution en courant alternatif avec des onduleurs

ddis (Figure 1.9). De telles structures associent des composants de gnration en DC

ou en AC. La faisabilit technique et conomique de cette structure est lie aux progrs

des convertisseurs statiques et de leur commande. Lavantage principal est la modularit

qui permet la connexion et/ou le remplacement de modules de production en cas de

besoin de plus dnergie. Linstallation des lments sur tout le mini-rseau est possible,

ce que le systme avec bus DC ne permet pas.

Un dsavantage de ces systmes est quils ont besoin de technologie volue, donc

chre et dapplication difficile dans des lieux isols. De plus, lors du stockage de

lnergie, celle-ci doit passer du point de gnration vers le bus AC et traverser le

convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systme ; ceci signifie que, dans les

systmes fonctionnant avec une forte capacit de stockage, cette topologie prsente des

niveaux de pertes suprieurs.


Wind turbine

Battery Bank Bidirectional converter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus

PV inverter and controller

WT inverter and

Figure 1.9. Systme hybride de puissance avec mini-rseau avec sources renouvelables

1.6.1.2 Systmes Hybrides Wind-Diesel

Dans les systmes isols de grande puissance qui associent des turbines oliennes et des

machines gnratrices diesel, la distribution est faite en AC. Cette association de

systme de gnration est nomme wind-diesel. Ces systmes produisent de lnergie

avec une ou plusieurs sources oliennes afin de rduire la consommation de carburant,

tout en gardant une qualit de lnergie acceptable. Pour tre conomiquement justifi,

linvestissement en quipement ncessaire pour profiter de lnergie du vent, doit se

rcuprer travers les conomies ralises sur le carburant. A cause de la grande

quantit de mini-rseaux isols dont lnergie primaire est le ptrole, dans les pays

dvelopps ou dans les pays en voie de dveloppement, le march pour radapter ces

systmes en systmes hybrides avec des sources renouvelables de faible cot, comme

lolien, est substantiel.

Un des dfis prsent par lincorporation de lnergie du vent dans les centrales diesel

est la difficult de rguler la tension et la frquence du systme, car la production des

oliennes est lie aux conditions alatoires du vent. Les problmes de stabilit de la

tension et de la frquence augmentent avec la quantit relative de production olienne

par rapport la puissance totale du systme. Ceci illustre la manire dont le taux de


pntration du vent dans le systme de puissance peut influencer fortement la

conception du systme et de ses composants.

1.6.1.3 Evolution de lolien dans les sites isols

Les turbines oliennes installes dans un systme isol dune communaut rurale

diffrent des turbines places dans les fermes oliennes offshore au Danemark. Il est

utile de prsenter une catgorisation des systmes de puissance selon le niveau de

puissance installe. Une classification est montre dans le Tableau 1.1.

Tableau 1.1. Classification des systmes de puissance

Puissance

installe (kW)

Catgorie Description

< 1 Micro systmes Systme DC dun seul nud 1 100 Systmes de puissance pour village Systme de puissance de petite taille 100 10000 Systmes de puissance pour le Rseau de puissance isol > 10000 Grands systmes interconnects Grand systme de puissance

Un microsystme utilise typiquement une petite turbine olienne avec une capacit de

moins de 1 kW.

Un systme pour un village a gnralement une capacit entre 1 kW et 100 kW, avec

une ou plusieurs turbines oliennes de lordre de 1 50 kW.

Un systme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqu 10 MW de

puissance installe et ses oliennes sont dans la gamme des 100 kW 1 MW.

Un grand systme de puissance interconnect est normalement plus grand que 10 MW,

avec plusieurs grandes turbines oliennes de plus de 500 kW installes sous forme de

centrales dnergie olienne ou de fermes oliennes.

Les niveaux thoriques de pntration moyens du vent proposs par Ackermann (2005)

pour les systmes du tableau 1.1 sont tracs sous forme de boites en nuances de gris

dans la Figure 1.10. Ces valeurs sont ordonnes en fonction de la capacit totale

installe du systme. Selon cet auteur, les valeurs de pntration du vent pour un

microsystme devraient tre suprieures 90 % de la gnration totale et entre 60% et


100% pour le systme alimentant un village. Pour un systme isol de forte puissance,

le niveau de pntration du vent naurait pas de limites (ni infrieure ni suprieure)

mais, pour un grand systme interconnect (> 10 MW), la valeur maximale propose est

de lordre de 65%.

100 80 60 40 20

Pntration du vent (%)

Puissance installe du systme

10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW

Micro systme

Systme de puissance de village

Systme de puissance insulaire

Grand systme interconnect

Ile de Frya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Dsirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdhui

Futur

Figure 1.10. Dveloppement prsent et futur de la pntration du vent vs. la capacit

installe [Source : Ackermann, 2005]

Pour les systmes de grande puissance, la situation existant au Danemark en 1998 et une

projection pour lanne 2030 sont utilises titre de rfrence. La courbe en tirets

montre la situation actuelle correspondant des systmes rels en fonctionnement. Elle

indique que le niveau de pntration de lnergie olienne dans les systmes de

puissance rels diminue avec laugmentation de la capacit du systme de puissance.

La courbe pointille indique le potentiel de dveloppement futur vers des niveaux de

pntration oliens plus importants, envisageables pour les 20 ou 30 ans venir. Lle

de Froya, est un lieu de recherche norvgien prsentant un taux de pntration moyen

du vent de lordre de 95%. Il sert de rfrence pour placer la courbe du futur pour les

systmes de puissance.


La faisabilit thorique dun taux de pntration trs lev dnergie olienne change

radicale

CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN SYSTEME … · une boite d’engrenages d’un étage, un...

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