Modlisation et commande dune olienne quipe dune gnratrice asynchrone. Ralisation dun simulateur pdagogique sous Psim

JM ROUSSEL, P REBEIX, T AUBRY IUT de lIndre, Dpartement GEII, 2 avenue Franois Mitterrand 36000 CHATEAUROUX Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr pascal.rebeix@univ-orleans.fr

1. Introduction

La consommation dnergie lectrique est en constante augmentation do une demande urgente daccrotre la capacit de production. Il est prvu que la capacit de production soit double en 20 ans. Or la production dlectricit consomme environ le tiers de lnergie primaire mondiale et contribue lpuisement des nergies fossiles ainsi qu lmission de gaz effet de serre. Cest pourquoi, on doit changer les sources de production dnergie lectrique dorigine fossile et encourager le dveloppement des nergies renouvelables. Il sera ncessaire daugmenter lefficacit du rseau de transport et de distribution, mais aussi revoir la demande de lutilisateur final.

Lnergie olienne est actuellement la seule qui soit la fois peu coteuse et capable dassurer une production de masse. Le solaire photovoltaque devrait prendre le relais dans les annes 2030 voir 2040 selon les projections de lEPIA (European Photovoltaic Industry Association).

La filire nergtique olienne connat une croissance sans prcdent. Le seuil symbolique de 100 GW oliens installs dans le monde a t balay durant lanne avec une puissance estime 120,82 GW. Lavenir de lolien est en mer. La filire offshore devrait connatre un dveloppement exponentiel, la France possdant le deuxime potentiel offshore europen.

La construction et la maintenance des parcs oliens offrent de nouveaux emplois qualifis pour nos tudiants. La France aura besoin de 700 techniciens de

maintenance lorsque le pays comptera 7000 oliennes (source ObservER).

Lobjet de cet article est de dcrire les travaux effectus par des tudiants dans le cadre de leurs projets. Les travaux raliss serviront de support dans le cadre des travaux pratiques sur lnergie olienne en deuxime anne DUT GEII.

Aprs une prsentation gnrale de la chane de conversion olienne, larticle dtaille la modlisation dune turbine et sa commande. Le simulateur propos est ensuite expliqu, ainsi que les simulations ralises pour valuer ses performances.

2. Chane de conversion olienne

2.1. Principe On considre une olienne dont le rotor est expos

face au vent et orient dans la direction du vent. Le vent souffle sur les pales de lolienne. Ds que la vitesse du vent dpasse un seuil minimal Vwind_cutin (typiquement 5 m/s), les pales commencent tourner. La puissance Pwind capte par ces dernires est transmise larbre lent avec un coefficient defficacit arodynamique Cp. Au rendement du multiplicateur prs, cette puissance mcanique Pturbine est retransmise larbre de la gnratrice asynchrone (GAS) une vitesse plus leve. Cette puissance mcanique va enfin tre transforme en puissance lectrique Pgas produite par la gnratrice et injecte sur le rseau lectrique.

Quand le vent dpasse un certain seuil Vwind_max (typiquement 13 m/s), il devient ncessaire de rgler la puissance de lolienne afin dviter les surcharges

Rsum : Cet article prsente un projet destin des tudiants de deuxime anne DUT GEII finalit nergie renouvelable . Durant ce projet, ces derniers doivent effectuer la modlisation et la commande dune olienne de forte puissance gnratrice asynchrone connecte au rseau et limplanter dans lenvironnement PSIM. Aprs une prsentation gnrale de la chane de conversion olienne, larticle dtaille la modlisation dune turbine et sa commande. Le simulateur propos est ensuite expliqu, ainsi que les simulations ralises pour valuer ses performances. Mots cls : nergie olienne, turbine olienne, gnratrice asynchrone, rgulation pitch, optislip, connexion au rseau

mcaniques et lectriques. La puissance nominale lectrique de la gnratrice est gnralement lun des paramtres respecter.

La figure 1 donne le schma de principe de la chane de conversion olienne.

Systeme de contrle

Pitch ou stall

Vw indPw ind

VturbinePturbine

NgasPgas

Vitesse du vent

Vitesse

Thyristorsoft-starter

Contacteur

PU,If

Compensation

Transformateur

Direction du vent

Yaw (nacelle turn)

Multiplicateur Rseau

GAS

Rotor

Figure 1 : Chane de conversion olienne

La gnratrice asynchrone prlve du rseau lnergie ractive ncessaire sa magntisation. Afin de limiter le fort appel de courant lors du couplage sur le rseau, un gradateur (soft start) assure une monte progressive de la tension aux bornes de la gnratrice. Il est ensuite court-circuit. La compensation de lnergie ractive ncessaire la magntisation de la gnratrice asynchrone est assure par une batterie de condensateurs rglables par gradins.

2.2. Eolienne vitesse fixe Il existe diffrentes manires de contrler la

puissance dune olienne : le rglage passif ou actif des pales, et le rglage de la vitesse de la gnratrice via un convertisseur de puissance. La limitation passive, passive stall , peut-tre obtenue par un profil arodynamique adquat des pales. Lorsque le vent atteint une certaine vitesse, les filets dair qui entranent le rotor de lolienne se brisent et le rotor sarrte (mise en drapeau). On parle de dcrochage arodynamique passif.

Sur les oliennes actuelles, on dispose dune commande active de langle dattaque des pales de quelques dizaines de degrs (20 30 typiquement) selon leur axe longitudinal : systme pitch control . Le systme pitch est un dispositif lectronique qui vrifie plusieurs fois par seconde la puissance lectrique dlivre par lolienne. En cas de puissance trop leve, le systme de contrle pitch envoie une commande aux servomoteurs de calage qui pivotent les pales lgrement sur le ct, hors du vent. Inversement, les pales seront pivotes de manire mieux capter Pwind, ds que le vent aura baiss dintensit.

La courbe de puissance type dune olienne est donne en figure 2. Au-del dune vitesse de vent de 13 m/s, la puissance se trouve crte jusqu la vitesse

darrt Vwind_cutoff (qui se situe dans la majeure partie des cas aux environs de 25 m/s).

Figure 2: Courbe de puissance olienne GE Energy/1,5MW

Les possibilits de rglage de la puissance gnre par les oliennes vitesse fixe restent limites.

2.3. Eolienne vitesse variable Si on considre la caractristique en puissance

dune olienne (cf figure 3), il apparat clairement limportance dun rglage de la vitesse. En effet, si la gnratrice est directement couple au rseau, la vitesse est sensiblement constante et la puissance ne peut tre maximale que pour une seule vitesse de vent.

Figure 3: Puissance de la turbine en fonction de sa vitesse de rotation, paramtre en vitesse du vent

Pour pouvoir optimiser le transfert de puissance et ainsi obtenir le maximum de la puissance (reprsente par la courbe en rouge) pour chaque vitesse de vent, la vitesse de la gnratrice doit donc tre adapte par rapport la vitesse du vent.

La vitesse variable des oliennes ncessite une machine asynchrone double alimentation (MADA) dote dun convertisseur statique. Dans le cadre dune formation bac + 2, nous avons retenu le systme Optislip (figure 4) du constructeur danois Vestas (V47 660 kW, V80 1,8 MW) car la solution MADA avec redresseur MLI et onduleur MLI ncessite des connaissances de notre point de vue de niveau Master.

Vw indPw ind

VturbinePturbine

NgasPgas

Thyristorstarter

Compensation

TransformateurGearbox Rseau

GAS

AC

DC

Bypass

Rrotor_ext

Figure 4: Systme Optislip

Le rotor de la gnratrice asynchrone embarque une rsistance rotorique externe avec un convertisseur de faible puissance qui permettent dobtenir une variation de vitesse de + 10% au-del de la vitesse du synchronisme en cas de puissantes rafales de vent. Ce systme contribue rduire les risques dendommagement de la mcanique ainsi que les fluctuations de la puissance lectrique (flicker). Mme si on dgrade le rendement lectromagntique de la gnratrice, on augmente le rendement global de lensemble turbine-gnrateur. On fait varier la rsistance rotorique et donc le glissement par action sur le rapport cyclique du hacheur. Ce systme est toutefois limit et ne permet pas de contrler la puissance ractive. Il est noter quon nest pas vraiment en prsence dun vrai dispositif vitesse variable !

2.4. Les principaux composants dune olienne

La figure 5 montre les composants constituant une turbine Nordex :

1.rotor blade 10.generator and gearbox 2.rotor hub 11.wind sensors 3.nacelle frame 12.nacelle control 4.main bearing 13.hydraulic system 5.rotor shaft 14.yaw drive 6.gearbox 15.yaw bearing 7.safety brake 16.nacelle cover 8.generator coupling 17.tower 9.induction generator

Figure 5: Elments dune olienne Nordex

Les oliennes modernes sont construites avec un moyeu de turbine en fonte (2), trois pales indpendantes en composite fibre de verre (1) angle ajustable par pitch control . Le palier (4), qui a pour but dabsorber les charges statiques et dynamiques, soutient larbre du rotor (5). Dans le multiplicateur (6), la vitesse lente des pales est transforme la vitesse nominale de la gnratrice (9). La sortie du multiplicateur est accouple la gnratrice par un accouplement flexible (8). Un frein disque (7) est insr sur larbre rapide avec tmoin dusure. Tous ces lments sont disposs dans la nacelle (3). Un radiateur de refroidissement (10) intgr au systme multiplicateur-gnratrice est ncessaire pour contrler les tempratures leves.

3. Simulateur olien

Ce simulateur permet dexprimenter, le comportement dune turbine olienne tripale orientation des pales rglable relie au rseau EDF selon le concept danois classique.

Dans une premire partie, nous expliquons la production du vent partir du spectre de puissance de Van der Hoven, ensuite nous tablissons le modle mathmatique de lolienne, et le couple dune turbine olienne qui servira de signal de rfrence pour une commande en couple. Puis, dans une seconde partie, un systme lectromcanique de type gnratrice asynchrone gnrera le couple lectromagntique rgi partir de la loi de commande tablie prcdemment. Enfin, nous prsenterons plus particulirement les simulations ralises.

3.1. Modlisation de la ressource Les travaux de C.Nichita [4] ont montr que les

variations du vent pouvaient tre reproduites partir de la densit spectrale de puissance de la vitesse du vent tablie par le mtorologue I.Van der Hoven. Ce modle dissocie la composante de turbulence du vent de la composante lente et assimile la composante de turbulence un processus alatoire stationnaire avec des caractristiques spectrales bien connues (par exemple : bruit blanc).

Figure 6: Reproduction de la caractristique spectrale de Van der Hoven

Le vent est modlis par la somme dune composante lente correspondant la vitesse moyenne du vent (Vwind_moy) et dune composante rapide dite de turbulence (Vwind_turb) cf figure 7.

Composante lenteVw ind_lent

Composante de turbulenceVw ind_turbulence

Ajustementd'amplitude

Filtrage Vent

+

+

Figure 7 : Synoptique de reconstruction du vent

Il est dmontr dans de nombreux travaux [3, 4, 5] que limportance dune turbulence est lie lamplitude de la valeur moyenne du vent. F.Poitiers [5] propose de corriger la composante de turbulence en fonction de la valeur moyenne laide dun filtre.

3.2. Modlisation de la turbine La puissance cintique totale sur la turbine dune

olienne Pwind sexprime selon (1), o est la masse volumique de lair en kg.m-3, A la surface balaye par la turbine en m2, et vwind la vitesse du vent en ms-1.

Pwind = 12

..A.vwind3 (1)

Conformment la loi de Betz, une olienne idale serait capable dextraire 16/27 (ou 59%) de cette puissance. Cependant, cause du non coulement dair laminaire et de la friction entre les pales, lnergie olienne capture est rduite par un facteur appel coefficient de puissance Cp ou facteur de Betz. Il est dfini par la relation suivante :

Cp = PturbineP wind

(2)

Le coefficient de puissance Cp reprsent en figure 8 est souvent trac en fonction du ratio de vitesse

dont lexpression est donne par (3), o R est le rayon de la turbine exprim en m et t la vitesse mcanique de la turbine en rads-1.

= t

wind

R

v

(3)

Figure 8 : Coefficient de puissance Cp(,vwind)

Le facteur de puissance Cp est fonction de langle dorientation des pales (pitch angle ; ) qui agit sur les forces de portance et de trane. La relation (1) montre quune petite variation de la vitesse du vent induit une grande variation de la puissance gnre.

Figure 9 : Coefficient de puissance Cp(,)

Par consquent la puissance capture par les pales dune olienne, est :

Pturbine = 12

..A.Cp(,).vwind3 (4)

La courbe de la figure 9 reprsente une caractristique importante qui dtermine le couple de dmarrage de lolienne. En gnral cette courbe est disponible partir des donnes du constructeur.

Lexpression du coefficient de puissance pour une turbine de 1,5 MW a t approche par lquation suivante [1] :

Cp = (0,5 0,167( - 2))sin 0,00184( - 3)( - 2)

avec =

pi( + 1)18,5 - 0,3( - 2)

(5)

Lexpression analytique de Cp(,) peut tre aussi obtenue par rgression polynomiale.

Le couple de la turbine peut tre obtenue en divisant lexpression de la puissance capture (4) par la vitesse de rotation de larbre mcanique t :

Tturbine = Pturbinet

=

2t

1..A.Cp(,).vwind3 (6)

Lexpression (6) nest pas satisfaisante dans la mesure o une indtermination du couple Tturbine existe au dmarrage car la vitesse t est nulle. Il faut alors introduire le ratio de vitesse dans lexpression (6) :

Tturbine = 1

2..pipipipiR3.Cp(,).vwind2 (7)

3.3. Modle du multiplicateur Le multiplicateur adapte la vitesse lente de la

turbine la vitesse de la gnratrice. Ce multiplicateur est modlis mathmatiquement par les quations suivantes :

Tgas = K1 Tturbine. et gas = Kturbine (8)

3.4. Modlisation de la gnratrice La gnratrice choisie pour la conversion de

lnergie cintique est la gnratrice asynchrone cage.

R

R'r/gLcs

L L'I'I eress r

sVmI

s

Figure 10 : Schma quivalent de la GAS ramene au stator

Le logiciel PSIM permet de rentrer la valeur des diffrents paramtres de la gnratrice asynchrone.

Dans le cas de la structure Optislip (cf paragraphe 2.2), la rsistance rotorique est augmente dune rsistance externe contrle.

4. Rsultats exprimentaux

4.1. Fonctionnement sans rgulation La figure 11 reprsente lvolution de la vitesse du

vent, vwind, sur une chelle rduite (300 s). La

composante de turbulence est seulement constitue dun bruit blanc filtr avec un filtre passe bande pour obtenir une rpartition gaussienne des valeurs alors que la composante lente se rduit une constante. Le coefficient de correction damplitude est de 0,1 ce qui correspond un espace agricole dgag.

Figure 11 : Courbe de vent (Vwind_turbulent, Vwind)

Pour des questions de temps de simulation dans le cadre de travaux pratiques, on ne simulera pas les variations journalires et saisonnires.

La courbe de la figure 12 montre lvolution de la puissance lectrique produite par lolienne. La puissance varie en fonction des variations de la vitesse du vent bien que linertie du rotor compense, dans une certaine mesure, les variations les plus courtes.

Figure 12 : Courbe de la puissance lectrique sans rgulation pitch (Vwind, angle pitch, Pgas)

Dans ltat, la production lectrique est trs sensible aux variations rapides du vent et pose un problme pour lintgration de lolienne dans un rseau lectrique. De plus, labsence de rgulation augmente la fatigue des composants mcaniques de lolienne.

On peut observer sur la tension dlivre par la gnratrice de lolienne le phnomne de flicker provoqu par les variations rapides du vent et le passage des pales devant le mt de lolienne. Ce phnomne peut tre observ en plaant un voltmtre aux bornes de limpdance de la ligne de raccordement au poste HT/BT.

Le terme flicker est utilis pour dsigner les variations de tension de courte dure apparaissant dans les rseaux lectriques et risquant de provoquer le scintillement des ampoules lectriques.

Figure 13 : Courbe de la tension sans rgulation pitch

On peut aussi simuler les -coups de tension lors des connexions ou des dconnexions doliennes.

4.2. Fonctionnement avec pitch control Le paragraphe prcdent a montr la ncessit

dune rgulation de la puissance de lolienne. La figure 14 donne les rsultats du comportement dune olienne face un vent moyen de 12-15 m/s avec un systme de rgulation de langle dorientation des pales.

Figure 14 : Courbe de la puissance lectrique avec rgulation pitch (Vwind, angle pitch, Pgas)

Le pitch control permet de maintenir la puissance de la gnratrice dans des limites acceptables autour de sa valeur nominale, lors des fluctuations du vent. Le systme pitch lors dune augmentation de la vitesse du vent dgrade le coefficient de puissance arodynamique Cp par augmentation de langle pitch (la turbine perdant ainsi lexcs dnergie du vent) une vitesse angulaire de 10 degrs par seconde pour maintenir constante la puissance lectrique. Si la vitesse du vent diminue, le systme pitch amliore le

coefficient Cp par diminution de langle pitch afin de fournir la puissance lectrique nominale.

La figure 14 montre que langle de pitch suit la vitesse du vent. Quand la vitesse augmente, langle pitch augmente galement. De mme, lorsque la vitesse diminue, langle pitch diminue aussi.

Le contrle de la puissance a pour avantage de faire fonctionner lolienne quasiment sa puissance nominale, toutes les vitesses du vent dans la plage dfinie par le constructeur.

5. Conclusions et perspectives

Ce projet a permis de sensibiliser les tudiants la production dlectricit partir de lnergie olienne et la pluridisciplinarit des mtiers du gnie lectrique (lectricit, mcanique des fluides, asservissement, programmation...).

Il a demand un fort investissement de la part des tudiants et stimul leur curiosit scientifique par la lecture darticles ou dlments de thses. Certains, ont dcouvert lexistence de la bibliothque et laide du personnel pour la recherche darticles a t essentielle.

Du point de vue disciplinaire, les rsultats obtenus sont assez satisfaisants, notamment en terme de modlisation du vent et de la rgulation pitch. Toutefois, lutilisation dune MADA avec redresseur et onduleur MLI permettrait de disposer dun contrle de la tension et de la puissance ractive.

La poursuite de ce projet va consister affiner le simulateur sous PSIM et dvelopper une plate-forme dessais base sur un mulateur de la turbine olienne via un moteur synchrone aimants permanents, associ un variateur de vitesse industriel. Elle comprendra une gnratrice asynchrone afin de convertir lnergie mcanique de la turbine en nergie lectrique. La commande de cet ensemble sera obtenue laide dune carte dSPACE 1104.

6. Rfrences

[1] S.EL AIMANI, Modlisation de diffrentes technologies doliennes intgres dans un rseau de moyenne tension, Thse de doctorat de lUniversit de Lille, 2004 [2] V.AKHMATOV, Analysis of dynamic behaviour of electric power systems with large amount of wind power, PhD Thesis Technical University of Denmark, 2003 [3] H.CAMBLONG, Minimisation de limpact des perturbations dorigine olienne dans la gnration dlectricit par des arognrateurs vitesse variable, Thse de doctorat de lENSAM Bordeaux, 2003

[4] C.NICHITA, Etude et dveloppement de structures de lois de commande numrique pour la ralisation dun simulateur de turbine olienne de 3 kW, Thse de doctorat de lUniversit du Havre, 1995 [5] F.POITIERS, Etude et commande de gnratrices asynchrones pour lutilisation de lnergie olienne, Thse de doctorat de lUniversit de Nantes, 2003.

[6] T.ACKERMANN, Wind Power in Power Systems, Editions Wiley 2005 [7] FD.BIANCHI, Wind Turbine Control Systems, Editions Springer 2007 [8] Z.LUBOSNY, Wind Turbine Operation in Electric Power Systems, Editions Springer 2003 [9] I.MUNTEANU, Optimal control of wind energy system, Editions Springer 2008 [10] MR.PATEL, Wind and Solar Power Systems, CRC Press 1999

[11] La revue REE, Lnergie olienne, N 5 mars 2005 [12] La revue 3EI, Energies renouvelables, N 20 mars 2000 [13] La revue 3EI, La production dcentralise de llectricit, N39 dcembre 2004