CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN SYSTEME DE …Une grande partie du parc éolien actuel est constitué de systèmes raccordés au réseau public. Pourtant, un des domaines où

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CONTRIBUTION A LrsquoOPTIMISATION DrsquoUNSYSTEME DE CONVERSION EOLIEN POUR UNE

UNITE DE PRODUCTION ISOLEEMiguel Lopez

To cite this versionMiguel Lopez CONTRIBUTION A LrsquoOPTIMISATION DrsquoUN SYSTEME DE CONVERSIONEOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE Energie eacutelectrique Universiteacute ParisSud - Paris XI 2008 Franccedilais tel-00344978

THEgraveSE DE DOCTORAT

SPECIALITE PHYSIQUE

Ecole Doctorale laquo Sciences et Technologies de lrsquoInformation des

Teacuteleacutecommunications et des Systegravemes raquo

Preacutesenteacutee par

Miguel LOPEZ

Sujet

CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUN SYSTEME DE CONVERSION

EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE

i

Sommaire

Introduction 1

1 Systegravemes de Conversion Eoliens 5

11 Introduction 5

111 Bilan Energeacutetique Mondial 6

1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire 6

1112 La Production drsquoElectriciteacute 6

1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire 8

1114 lrsquoIndustrie 8

1115 Le Transport 9

1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique 9

112 Energie et Environnement 9

1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement 10

113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute 11

114 Les Energies Renouvelables 12

1141 Hydraulique 14

1142 Photovoltaiumlque 15

1143 lrsquoEolien 15

1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables 16

12 Classement des Turbines Eoliennes 18

121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT) 18

122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT) 20

13 Boite de Vitesses 21

14 Geacuteneacuterateurs 22

141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG) 23

1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG) 23

1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG) 23

142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG) 25

1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG) 25

1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG) 26

143 Autres Geacuteneacuterateurs 26

144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes 27

15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute 30

151 Types de Stockage drsquoEnergie 30

16 Applications des Turbines Eoliennes 31

161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne 31

1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne 33

1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel 36

ii

1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes 37

1614 Systegravemes et Expeacuterience 39

1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides 40

162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux 43

1621 Systegravemes Distribueacutes 43

1622 Parcs Eoliens 44

17 Tendances 46

171 Systegraveme Meacutecanique 46

172 Systegraveme Electrique 47

173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications 47

18 Conclusion 48

2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 49

Nomenclature 49

21 Introduction 50

22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de Commande 50

221 Modegravele du Systegraveme 51



2213 Paramegravetres du Systegraveme 59

23 Problegraveme drsquoOptimisation 63

231 Contraintes 64

232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation 66

233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique 71

24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation 72

241 Reacutesultats 76

25 Conclusion 80

3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 81

31 Introduction 81

32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes 83

321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor 84

3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch Control) 86

3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control) 87

3213 Commande Stall Active (Active Stall Control) 88

3214 Commande drsquoOrientation 88

322 Commande du Systegraveme Electrique 89

3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave Pales

Ajustables 90


Fixes 92

3223 Structure de Puissance Proposeacutee 97

3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee 99


34 Conclusion 112

iii

4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans les Convertisseurs de

Puissance 113

Nomenclature 113

41 Introduction 114

42 Meacutethode Proposeacutee 115

421 Calcul des Pertes 116

4211 Pertes par Conduction dans les Diodes 116

4212 Pertes par Conduction dans les Transistors 116

4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur 117

4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur 119

4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur 121

422 Pertes par Commutation 123

4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur 124

4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur 124


431 Pertes dans le Redresseur 126

432 Pertes du Hacheur 129

4321 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire

TransistorDiode 129

4322 Comparaison un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison

Cascade des Convertisseurs Boost et Buck 130

433 Pertes de lrsquoOnduleur 136

44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme Hybride 141

441 Description du Systegraveme 141

442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes 142

443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride 143

45 Conclusion 147

Conclusions et Perspectives 149

Reacutefeacuterences Bibliographiques 153

Annexes 157

Introduction

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

effets polluants associeacutes principalement causeacutes par la combustion des eacutenergies fossiles

sont au cœur de la probleacutematique du deacuteveloppement durable et du soin de

lrsquoenvironnement dans une discussion pour lrsquoavenir de la planegravete

Le secteur de la geacuteneacuteration eacutelectrique est le premier consommateur drsquoeacutenergie primaire et

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

eacuteconomiquement capable de faire des efforts importants pour reacuteduire les atteintes de

lrsquoactiviteacute humaine sur le climat et lrsquoenvironnement Une des possibiliteacutes est drsquoaccroicirctre

le taux de production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de ressources de type non-fossiles et

renouvelables

Drsquoautre part le processus de libeacuteralisation des marcheacutes eacutelectriques qui a deacutemarreacute il y a

quelques anneacutees permet le deacuteveloppement drsquoune offre nouvelle pour la production

drsquoeacutelectriciteacute Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas ecirctre raccordeacutes au

reacuteseau de transport drsquoeacutelectriciteacute la connexion est alors faite directement au reacuteseau de

distribution Ces comportements particuliers se sont progressivement deacuteveloppeacutes et sont

maintenant deacutefinis sous le nom de Geacuteneacuteration Deacutecentraliseacutee La situation nouvelle creacuteeacutee

par ce type de geacuteneacuteration en a fait un des sujets les plus eacutetudieacutes dans le domaine des

reacuteseaux eacutelectriques de puissance

Ces constats indiquent que les technologies renouvelables possegravedent des atouts majeurs

pour deacutevelopper leur participation agrave la production drsquoeacutelectriciteacute et pour intervenir sur le

marcheacute de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Lrsquohydroeacutelectriciteacute a deacutejagrave plus drsquoun siegravecle de

deacuteveloppement et son utilisation est mondialement reacutepandue Aujourdrsquohui les autres

2 Contribution agrave lrsquoOptimisation dun Systegraveme de hellip

sources de geacuteneacuteration renouvelables notamment le solaire et lrsquoeacuteolien sont les eacutenergies

dont le taux de croissance est le plus eacuteleveacute Leur deacuteveloppement au niveau reacutesidentiel et

industriel est consideacuterable particuliegraverement en Europe et aux Etats-Unis Les systegravemes

utilisant lrsquoeacutenergie du vent repreacutesentent la technologie en plus forte croissance Parmi ces

technologies eacuteoliennes de nombreux systegravemes de diffeacuterents types ont eacuteteacute conccedilus et

deacuteveloppeacutes tout en prolongeant une expeacuterience dans ce domaine remontant sur plusieurs

siegravecles

De nos jours la forme la plus connue et utiliseacutee de technologie eacuteolienne est

lrsquoaeacuterogeacuteneacuterateur ie une machine qui obtient de lrsquoeacutenergie agrave partir du vent pour geacuteneacuterer

un courant eacutelectrique La taille de ces turbines eacuteoliennes modernes va de quelques watts

jusqursquoagrave plusieurs meacutegawatts La majoriteacute des systegravemes commerciaux actuels sont des

turbines eacuteoliennes agrave axe horizontal (HAWT) avec des rotors agrave trois pales (tripales) Les

turbines peuvent transfeacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave un reacuteseau de puissance agrave travers des

transformateurs lignes de transport et sous-stations associeacutes

Une grande partie du parc eacuteolien actuel est constitueacute de systegravemes raccordeacutes au reacuteseau

public Pourtant un des domaines ougrave les technologies renouvelables peuvent se

deacutevelopper de faccedilon substantielle est celui de lrsquoeacutelectrification rurale ou des sites isoleacutes

Quand les meacutethodes conventionnelles de fourniture drsquoeacutenergie eacutelectrique comme

lrsquoextension du reacuteseau et lrsquoutilisation de geacuteneacuterateurs diesel deviennent trop coucircteuses ou

difficiles agrave impleacutementer les technologies renouvelables capables de geacuteneacuterer de

lrsquoeacutelectriciteacute sur place sont une possibiliteacute tregraves inteacuteressante tant au niveau technique

qursquoeacuteconomique

Drsquoautre part les systegravemes eacuteoliens individuels (stand-alone) qui fournissent de

lrsquoeacutelectriciteacute agrave des petites communauteacutes sont de plus en plus nombreux En raison de la

caracteacuteristique intermittente du vent des systegravemes hybrides avec un support diesel

photovoltaiumlque etou avec un moyen de stockage de lrsquoeacutenergie sont populaires pour les

zones eacuteloigneacutees Dans la gamme des petites turbines eacuteoliennes la tendance est de

deacutevelopper des systegravemes commandeacutes de plus en plus efficaces utilisant des structures

Introduction 3

de conversion agrave deacutecoupage eacutelectronique pour eacutelargir la plage exploitable de vitesses du

vent

Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la

conception optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les

sites ougrave lrsquoexpansion du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse

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

consommeacutees dans le monde est exposeacute Il est suivi de la preacutesentation des problegravemes

environnementaux lieacutes agrave lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique

vers un marcheacute concurrentiel ouvert est preacutesenteacutee ainsi qursquoun reacutesumeacute sur les

caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie

Une preacutesentation geacuteneacuterale de la technologie eacuteolienne actuelle est faite en commenccedilant

par une des classifications la plus couramment utiliseacutee La technologie utilisant les

boites de vitesses pour les turbines eacuteoliennes est aussi preacutesenteacutee Les diffeacuterents types de

geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les turbines eacuteoliennes sont exposeacutes Les

applications avec un segment deacutedieacute aux systegravemes isoleacutes sont aussi proposeacutees Un

reacutesumeacute sur les systegravemes de stockage est montreacute Un sommaire des derniegraveres tendances

et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien est aussi preacutesenteacute

Dans le deuxiegraveme chapitre une meacutethode drsquooptimisation drsquoun systegraveme de conversion de

lrsquoeacutenergie eacuteolienne de faible taille agrave tension fixe est preacutesenteacutee Le systegraveme est composeacute

drsquoeacuteleacutements disponibles commercialement une petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal

une boite drsquoengrenages drsquoun eacutetage un geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents un

pont de diodes et un groupe de batteries Comme il nrsquoy a pas de dispositifs commandeacutes

la conception du systegraveme doit ecirctre soigneusement reacutealiseacutee pour trouver la configuration

qui maximise autant son utilisation que la puissance deacutelivreacutee A partir des eacutequations

meacutecanique et eacutelectrique deacutefinissant la puissance de lrsquoeacuteolienne un problegraveme

drsquooptimisation est donc proposeacute Ce problegraveme est cibleacute sur la combinaison optimale du

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

recueillir la plus grande quantiteacute possible drsquoeacutenergie du systegraveme de conversion La

puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne est modeacuteliseacutee en proposant une nouvelle fonction


drsquoapproximation du coefficient de puissance Le problegraveme drsquooptimisation avec

contraintes est reacutesolu avec un programme MATLAB copy speacutecialement deacuteveloppeacute pour

lrsquoapplication de geacuteneacuteration eacuteolienne

Le chapitre 3 est consacreacute aux structures commandeacutees de geacuteneacuteration eacuteolienne pour leur

application dans un systegraveme de puissance isoleacute de petite taille Dans ce cas la

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

par ajustement de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Cette

reacutegulation de vitesse est reacutealiseacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance

introduit dans la chaine de conversion Ce convertisseur DCDC profite de la tension

presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa tension drsquoentreacutee de faccedilon agrave

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

de son rotor Une topologie de convertisseur eacuteleacutevateur ndash abaisseur est proposeacutee de faccedilon

agrave commander le systegraveme sur toute la plage de vitesses de vent en suivant la puissance

maximale pour les vents faibles et en reacutegulant agrave puissance nominale pour les vents forts

Le dernier chapitre preacutesente une ameacutelioration du calcul des pertes des convertisseurs

statiques de puissance pour une application agrave un systegraveme drsquoeacutenergie hybride

renouvelable Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer les pertes eacutenergeacutetiques dans le systegraveme pour

contribuer aux proceacutedures de dimensionnement des eacuteleacutements Les modegraveles deacuteveloppeacutes

considegraverent les pertes de conduction et de commutation pour preacuteciser la variation du

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

production renouvelables Cette approche est testeacutee sur plusieurs convertisseurs

eacutelectroniques de puissance et dans un systegraveme hybride preacutealablement dimensionneacute Pour

lrsquoapplication au systegraveme hybride la meacutethodologie proposeacutee est compareacutee sur une base

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

un logiciel speacutecialement deacuteveloppeacute Lrsquoimportance de lrsquoeacutevaluation correcte des pertes est

alors deacutemontreacutee

1 Systegravemes de Conversion Eoliens

11 Introduction

Le vent est une source drsquoeacutenergie renouvelable eacuteconomique exploitable avec un bon

niveau de seacutecuriteacute et respectueuse de lrsquoenvironnement Dans le monde entier les

ressources drsquoeacutenergie eacuteolienne sont pratiquement illimiteacutees Les reacutecents deacuteveloppements

technologiques dans les domaines des turbines eacuteoliennes agrave vitesse variable en

eacutelectronique de puissance et en commande de machines eacutelectriques tendent agrave rendre

lrsquoeacutenergie eacuteolienne aussi compeacutetitive que lrsquoeacutenergie drsquoorigine fossile (Mathew 2006

Chen and Blaabjerg 2006)

LrsquoAllemagne est aujourdrsquohui le premier producteur drsquoeacutenergie agrave partir du vent avec une

puissance installeacutee de 16630 MW et plus de 15000 turbines en opeacuteration (Chen and

Blaabjerg 2006 Hau 2006) Elle est suivie par lrsquoEspagne avec quelques 8260 MW

Les Etats-Unis sont en troisiegraveme position avec 6740 MW de puissance installeacutee suivis

par le Danemark avec 3120 MW et lrsquoInde avec 3000 MW installeacutes LrsquoEurope concentre

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

lrsquoItalie progressent fortement en ce domaine Drsquoautres pays envisagent de deacutevelopper

consideacuterablement cette source drsquoeacutenergie par exemple la Chine et lrsquoAustralie (Chen

and Blaabjerg 2006)

Ce chapitre preacutesente un bilan des formes drsquoeacutenergies les plus consommeacutees au monde Il

eacutetablit la correacutelation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes environnementaux

qui srsquoensuivent Les conseacutequences de lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers un

marcheacute concurrentiel ouvert y sont abordeacutees succinctement ainsi que les caracteacuteristiques

6 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip

eacuteconomiques et environnementales des formes renouvelables drsquoeacutenergie La technologie

eacuteolienne actuelle y est preacutesenteacutee sous la forme drsquoune classification couramment

employeacutee Lrsquointeacuterecirct de mettre en œuvre une boite de vitesses pour les turbines eacuteoliennes

y est aussi deacutemontreacute Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques preacutesents dans les

turbines eacuteoliennes y sont exposeacutes Les applications avec un segment deacutedieacute aux

systegravemes isoleacutes y sont aussi preacutesenteacutees Les diffeacuterents systegravemes de stockage sont

recenseacutes et les derniegraveres tendances et perspectives de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien sont

eacutevoqueacutees

111 Bilan Energeacutetique Mondial

Face agrave une demande en constante augmentation et agrave une reacutepartition ineacutegale entre les

zones geacuteographiques les Etats se trouvent confronteacutes agrave des enjeux majeurs eacutequilibrer

leur bilan eacutenergeacutetique limiter leur deacutependance vis-agrave-vis de zones politiquement

instables concilier besoins et respect de lrsquoenvironnement et enfin preacuteparer lrsquoineacutevitable

eacutepuisement des ressources actuellement exploiteacutees en deacuteveloppant des eacutenergies

alternatives (Mons 2005)

1111 Les Utilisations de lrsquoEnergie Primaire

laquo Lrsquoeacutenergie primaire raquo reacutepond aux besoins de quatre grandes cateacutegories de

consommation production drsquoeacutelectriciteacute usage domestique industrie et transports Dans

le monde le charbon demeure largement en tecircte comme source primaire La figure 11

montre la reacutepartition de la consommation de lrsquoeacutenergie par secteur drsquoactiviteacute

1112 La Production drsquoElectriciteacute

Actuellement la plus grande part de la consommation eacutenergeacutetique mondiale est deacutedieacutee agrave

la production drsquoeacutelectriciteacute Lrsquoabondance des reacuteserves de charbon (dans certaines zones

geacuteographiques) et leur faible coucirct drsquoexploitation expliquent que le charbon soit

eacuteconomiquement avantageux et arrive en tecircte dans les ressources exploiteacutees pour la

Chapitre 1 ndash Systegravemes de Conversion Eoliens 7

production drsquoeacutelectriciteacute En revanche lrsquoimpact environnemental du charbon est

nettement en sa deacutefaveur mecircme avec les technologies les plus reacutecentes pourtant moins

polluantes Ensuite vient le gaz naturel la turbine agrave gaz agrave cycle combineacute est la

principale technologie de production drsquoeacutelectriciteacute mise en service dans le monde en

particulier en Europe A titre drsquoexemple en 2000 au Royaume-Uni 32 de lrsquoeacutelectriciteacute

eacutetait produite agrave partir du gaz naturel contre seulement 2 en 1990 (Mons 2005)

Energie Primaire

Production deacutelectriciteacute (29 )

Peacutetrole9Gaz Naturel

19

Uranium16

Autres20

Charbon36

Residentiel et Tertiaire (26 )

Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4

Figure 11 Les diffeacuterents secteurs de consommation drsquoeacutenergie dans le monde agrave lrsquoheure

actuelle

Le nucleacuteaire est le troisiegraveme mode de production drsquoeacutelectriciteacute dans le monde Crsquoest

drsquoailleurs son seul usage en dehors des applications militaires Cette technologie est

toutefois reacuteserveacutee aux pays les plus riches en raison de la complexiteacute du processus et

des investissements neacutecessaires La France est le pays qui recourt le plus au nucleacuteaire

pour produire de lrsquoeacutelectriciteacute (environ 80 de la consommation drsquoeacutenergie eacutelectrique)


Le peacutetrole est peu utiliseacute pour la production drsquoeacutelectriciteacute Enfin les autres eacutenergies sont

surtout repreacutesenteacutees par les eacutenergies renouvelables hydroeacutelectriciteacute en tecircte Certains

pays comme la Suegravede produisent lrsquoessentiel de leur eacutelectriciteacute gracircce aux barrages et

aux cours drsquoeau

1113 Le Secteur Reacutesidentiel et Tertiaire

Il arrive en seconde position dans la consommation drsquoeacutenergie primaire Il est important

de noter ici que lrsquoeacutelectriciteacute est une forme drsquoeacutenergie secondaire cependant source

laquo primaire raquo drsquoeacutenergie pour les secteurs reacutesidentiel et tertiaire et lrsquoindustrie

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

de rajouter la cuisine Le fonctionnement des appareils meacutenagers et informatiques et

surtout lrsquoeacuteclairage font appel agrave lrsquoeacutelectriciteacute Les eacutenergies fossiles reacutepondent surtout au

premier usage mecircme si quelques pays ndash dont la France ndash se servent de lrsquoeacutelectriciteacute pour

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

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

domestiques ce qui nrsquoest pas sans poser de problegravemes de deacuteforestation (en Afrique

principalement)

1114 lrsquoIndustrie

Ce secteur ndash qui consomme 25 de lrsquoeacutenergie dans le monde ndash preacutesente le bilan le plus

eacutequilibreacute Le charbon est neacuteanmoins une nouvelle fois en tecircte Cette ressource est tregraves

largement utiliseacutee dans les reacutegions industrielles des pays eacutemergents en particulier en

Chine et en Inde Le peacutetrole inteacuteresse lrsquoindustrie pour produire une partie de lrsquoeacutenergie

neacutecessaire mais aussi en tant que matiegravere premiegravere des plastiques et autres produits

deacuteriveacutes environ 15 du peacutetrole consommeacute par lrsquoindustrie sert de matiegravere premiegravere


1115 Le Transport

Crsquoest le quatriegraveme grand secteur de consommation il recourt quasi exclusivement au

peacutetrole et agrave ses deacuteriveacutes Cette forte deacutependance pose de nombreux problegravemes lorsque les

cours du peacutetrole srsquoeacutelegravevent Les eacutenergies alternatives ndash lrsquoeacutelectriciteacute et le gaz ndash nrsquoont pas

reacuteussi agrave srsquoimposer dans lrsquoautomobile pour lrsquoinstant

1116 Une Concurrence Inter Energeacutetique

En geacuteneacuteral agrave part quelques exceptions aucun usage nrsquoest exclusivement assureacute par une

source unique drsquoeacutenergie Crsquoest la raison pour laquelle on assiste agrave des modifications

sensibles de la contribution des diffeacuterentes eacutenergies au bilan eacutenergeacutetique mondial La

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

production drsquoeacutelectriciteacute en est la principale illustration Les eacutevolutions sont toutefois

tregraves lentes car lrsquoeacutenergie est une industrie de long terme Dans le cas de la production

drsquoeacutelectriciteacute les centrales ont une dureacutee de vie de lrsquoordre de 30 agrave 40 ans voire plus de

50 ans dans le cas des centrales nucleacuteaires

112 Energie et Environnement

La preacuteservation de lrsquoenvironnement est un des principaux deacutefis que doit relever

lrsquoindustrie eacutenergeacutetique La consommation drsquoeacutenergie ndash en croissance reacuteguliegravere ndash est agrave

lrsquoorigine drsquoune pollution consideacuterable Lrsquoenjeu est donc de concilier les besoins

eacutenergeacutetiques avec le respect de lrsquoenvironnement Si la prise de conscience semble

deacutesormais ecirctre une reacutealiteacute les actions sont tregraves longues agrave mettre en place Drsquoautant que

la responsabiliteacute est collective car lrsquoutilisation rationnelle de lrsquoeacutenergie concerne aussi

bien les gouvernements les producteurs que les consommateurs


1121 Lrsquoimpact de la Consommation drsquoEnergie sur lrsquoEnvironnement

La combustion drsquoeacutenergie fossile est la premiegravere activiteacute humaine responsable de

lrsquoeacutemission de gaz agrave effet de serre Selon lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie la

consommation humaine drsquoeacutenergie fossile a rejeteacute 22639 millions de tonnes de CO2 en

2000 (Mons 2005)

Les Emissions Gazeuses

Les rejets de la combustion des carburants repreacutesentent les trois-quarts des eacutemissions

humaines de dioxyde de carbone La concentration de ce gaz dans lrsquoatmosphegravere

augmente reacuteguliegraverement Actuellement ce taux est de 00365 contre 0028 au milieu

du XIXegraveme siegravecle (+ 30) Le deuxiegraveme gaz agrave effet de serre est le meacutethane (CH4) dont

la concentration a doubleacute sur la mecircme peacuteriode Ses eacutemissions son geacuteneacutereacutees par

lrsquoagriculture (eacutelevage et riziegravere) les activiteacutes eacutenergeacutetiques (fuites de gaz et industrie

charbonniegravere) et les deacutechets meacutenagers (Mons 2005)

Une poleacutemique a longtemps opposeacute la communauteacute scientifique sur la reacutealiteacute du

reacutechauffement climatique et la responsabiliteacute des activiteacutes humaines Le groupe

intergouvernemental drsquoexperts sur lrsquoeacutevolution du climat (GEIC ou IPCC de lrsquoanglais

Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdrsquohui que cet effet constateacute

depuis une cinquantaine drsquoanneacutees est bien attribuable aux activiteacutes humaines

Cette structure ndash creacuteeacutee en 1988 par lrsquoOrganisation Meacuteteacuteorologique Mondiale et le

Programme des Nations Unies pour lrsquoEnvironnement ndash a constateacute que la tempeacuterature

moyenne avait augmenteacute de 06degC au cours du siegravecle preacuteceacutedent (avec une marge

drsquoerreur drsquoenviron plusmn 02degC)

Le reacutechauffement nrsquoest toutefois pas uniforme puisqursquoil a eacuteteacute constateacute en deux phases

de 1910 agrave 1945 et depuis 1976 Le pheacutenomegravene tend drsquoailleurs agrave srsquoacceacuteleacuterer car la

deacutecennie 1990 semble ecirctre la plus chaude depuis 1961 ndash lrsquoanneacutee 1998 en tecircte Les

principales conseacutequences visibles sont la reacuteduction de la couverture neigeuse (-10


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

niveau moyen des oceacuteans (Mons 2005)

Les Mareacutees Noires

Amoco Cadiz Exxon Valdez Erika repreacutesentent autant de noms tristement ceacutelegravebres

pour avoir souilleacute la mer et le littoral des cocirctes Lrsquohistoire de lrsquoindustrie peacutetroliegravere est

jalonneacutee de mareacutees noires

Les conseacutequences de ces accidents sont deacutesastreuses pour la faune la flore et les

activiteacutes humaines (pecircche ostreacuteiculture tourisme etc) Cependant lrsquoattribution des

responsabiliteacutes est complexe chacune des parties eacutevitant de les prendre En matiegravere de

nettoyage et drsquoindemnisation crsquoest le plus souvent lrsquoEacutetat du pays victime de la pollution

qui assume lrsquoessentiel des charges Toutefois quelques progregraves sont reacutealiseacutes

notamment pour acceacuteleacuterer la disparition des navires agrave simple coque comme lErika

Neacuteanmoins les mareacutees noires ne sont qursquoune petite partie des rejets drsquohydrocarbures en

mer - de 2 agrave 6 du total selon les estimations - lesquelles repreacutesentent au total entre 2

et 6 millions de tonnes (Mons 2005) La tregraves grande majoriteacute des rejets correspond aux

deacutegazages en drsquoautres termes au lavage des cuves des cargos et au rejet des reacutesidus de

filtration du fioul lourd

113 Geacuteneacuteration Distribueacutee de lrsquoElectriciteacute

Le systegraveme de puissance traditionnel inteacutegreacute verticalement (geacuteneacuteration transport et

distribution drsquoeacutenergie eacutelectrique) est dans une eacutetape initiale drsquoun processus qui pourrait

ecirctre un changement reacutevolutionnaire (Masters 2004) Lrsquoeacutepoque des centrales de plus en

plus grandes semble parvenue agrave son terme Les reacuteseaux de transport et de distribution

commencent agrave srsquoouvrir agrave des producteurs indeacutependants mettant en œuvre des centrales

plus petites moins coucircteuses et plus efficaces De nombreux pays se sont engageacutes dans

la voie de la reacutegulation des reacuteseaux avec lrsquoobjectif drsquoencourager la concurrence entre

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

succegraves agrave deacutemontrer


Lrsquoindustrie eacutelectrique semble ainsi effectuer un retour en arriegravere lorsque lrsquoessentiel de

lrsquoeacutenergie eacutelectrique eacutetait geacuteneacutereacutee localement par de petits systegravemes isoleacutes en vue de son

utilisation directe Les anciens geacuteneacuterateurs agrave vapeur utiliseacutes pour fournir de la chaleur et

de lrsquoeacutelectriciteacute ont trouveacute leurs eacutequivalents modernes sous la forme de micro-turbines

piles agrave combustible moteurs agrave combustion interne et petites turbines agrave gaz

En plus de lrsquointeacuterecirct eacuteconomique drsquoautres arguments ont plaideacute en faveur drsquoune

transition vers les systegravemes drsquoeacutenergie deacutecentraliseacutes agrave petite eacutechelle il srsquoagit notamment

des retombeacutees sur lrsquoenvironnement de la vulneacuterabiliteacute des systegravemes drsquoeacutenergie

centraliseacutes en cas drsquoattentat et de la fiabiliteacute de lrsquoeacutelectriciteacute

114 Les Energies Renouvelables

Le deacuteveloppement et lrsquoexploitation des eacutenergies renouvelables ont connu une forte

croissance ces derniegraveres anneacutees Drsquoici 20-30 ans tout systegraveme eacutenergeacutetique durable sera

baseacute sur lrsquoutilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux

eacutenergies renouvelables Naturellement deacutecentraliseacutees il est inteacuteressant de les mettre en

œuvre sur les lieux de consommation en les transformant directement soit en chaleur

soit en eacutelectriciteacute selon les besoins La production drsquoeacutelectriciteacute deacutecentraliseacutee agrave partir

drsquoeacutenergies renouvelables offre une plus grande sucircreteacute drsquoapprovisionnement des

consommateurs tout en respectant lrsquoenvironnement Cependant le caractegravere aleacuteatoire

des sources impose des regravegles particuliegraveres de dimensionnement et drsquoexploitation des

systegravemes de reacutecupeacuteration drsquoeacutenergie (Gergaud 2002)

Une source drsquoeacutenergie est renouvelable si le fait drsquoen consommer ne limite pas son

utilisation future Crsquoest le cas de lrsquoeacutenergie du soleil du vent des cours drsquoeau de la terre

de la biomasse humide ou segraveche agrave une eacutechelle de temps compatible avec lrsquohistoire de

lrsquohumaniteacute Ce nrsquoest pas le cas des combustibles fossiles et nucleacuteaires

Lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables nrsquoest pas nouvelle Celles-ci sont exploiteacutees par

lrsquohomme depuis la nuit des temps Autrefois moulins agrave eau agrave vent feu de bois traction


animale bateaux agrave voile ont largement contribueacute au deacuteveloppement de lrsquohumaniteacute Elles

constituaient une activiteacute eacuteconomique agrave part entiegravere notamment en milieu rural ougrave elles

eacutetaient aussi importantes et aussi diversifieacutees que la production alimentaire Mais dans

les pays industrialiseacutes degraves le XIXegraveme siegravecle elles furent progressivement marginaliseacutees

aux profits drsquoautres sources drsquoeacutenergie que lrsquoon pensait plus prometteuses Depuis lors

la pollution atmospheacuterique le reacutechauffement climatique les risques du nucleacuteaire et les

limites des ressources ont fait prendre conscience qursquoun deacuteveloppement eacuteconomique

respectueux de lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons est neacutecessaire

Les chocs peacutetroliers successifs observeacutes depuis les anneacutees 70 ont deacutemontreacute les risques

eacuteconomiques et geacuteopolitiques de la production drsquoeacutenergie reposant sur lrsquoexploitation des

ressources fossiles dont les reacuteserves sont mal reacuteparties et eacutepuisables

De plus une grande partie du monde ne sera sans doute jamais raccordeacutee aux reacuteseaux

eacutelectriques dont lrsquoextension srsquoavegravere trop coucircteuse pour les territoires isoleacutes peu peupleacutes

ou difficiles drsquoaccegraves Mecircme au sein de lrsquoEurope occidentale de tels laquo sites isoleacutes raquo ne

sont pas exceptionnels Actuellement deux milliards et demi drsquohabitants principalement

dans les zones rurales des pays en deacuteveloppement ne consomment que 1 de

lrsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde

Les eacutenergies renouvelables constituent donc une alternative aux eacutenergies fossiles agrave

plusieurs titres elles perturbent geacuteneacuteralement moins lrsquoenvironnement nrsquoeacutemettent pas

de gaz agrave effet de serre et ne produisent pas de deacutechets elles sont ineacutepuisables elles

autorisent une production deacutecentraliseacutee adapteacutee agrave la fois aux ressources et aux besoins

locaux elles offrent une importante indeacutependance eacutenergeacutetique

Parmi les eacutenergies renouvelables trois grandes familles eacutemergent lrsquoeacutenergie drsquoorigine et

agrave finaliteacute meacutecanique (agrave partir du vent des mouvements de lrsquoeauhellip) lrsquoeacutenergie agrave finaliteacute

eacutelectrique (agrave partir de panneaux photovoltaiumlques drsquoeacuteoliennes de barrages

hydrauliqueshellip) et lrsquoeacutenergie drsquoorigine et agrave finaliteacute thermique (geacuteothermie solaire

thermiquehellip) La plupart de ces formes drsquoeacutenergie proviennent du soleil agrave quelques

exceptions pregraves (mareacutees geacuteothermiehellip) Etant donneacute que lrsquoeacutenergie sous forme


meacutecanique est tregraves difficilement transportable elle nrsquoest utilisable que localement

(pompage direct de lrsquoeau moulinshellip) Crsquoest pourquoi pour lrsquoessentiel elle est

transformeacutee en eacutenergie eacutelectrique A lrsquoexception de la biomasse et de lrsquohydraulique un

inconveacutenient majeur des eacutenergies renouvelables provient de la non-reacutegulariteacute des

ressources De plus les fluctuations saisonniegraveres et journaliegraveres de la demande en

puissance ne sont pas forceacutement synchroniseacutees avec les ressources Par exemple en

hiver le besoin eacutenergeacutetique est plus important pour le chauffage et lrsquoeacuteclairage alors que

les journeacutees drsquoensoleillement sont plus courtes La diversification des sources permet

statistiquement de limiter ces inconveacutenients Il peut srsquoagir notamment de coupler des

panneaux photovoltaiumlques avec une eacuteolienne (Mirecki 2005) Le stockage de lrsquoeacutenergie

eacutelectrique supprime ces inconveacutenients lorsque la technologie le permet

Les formes drsquoeacutenergie renouvelables agrave finaliteacute eacutelectrique qui sont actuellement les plus

exploiteacutees tout en respectant au mieux lrsquoenvironnement sont lrsquohydraulique le solaire

photovoltaiumlque et lrsquoeacuteolien Ces trois formes drsquoeacutenergie sont preacuteciseacutees dans ce qui suit

1141 Hydraulique

Lrsquoeau comme lrsquoair est en perpeacutetuel mouvement Par rapport agrave lrsquoair sa densiteacute plus

importante en fait un excellent vecteur drsquoeacutenergie Les barrages sur les riviegraveres ont une

capaciteacute importante pour les pays riches en cours drsquoeau qui beacuteneacuteficient ainsi drsquoune

source drsquoeacutenergie propre et laquo stockable raquo Cette ressource repreacutesentait en 1998 environ

20 de la production mondiale de lrsquoeacutenergie eacutelectrique (Mirecki 2005) Certains pays ndash

dont la France ndash sont deacutejagrave laquo satureacutes raquo en sites hydroeacutelectriques exploitables et ne

peuvent pratiquement plus progresser de maniegravere importante dans ce domaine Les sites

de faible puissance (infeacuterieure agrave 10kW) sont bien adapteacutes aux petits reacuteseaux isoleacutes En

1999 lrsquoEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique installeacutee A

lrsquohorizon 2100 cette puissance pourrait passer agrave 13000 MW


1142 Photovoltaiumlque

Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est obtenue directement agrave partir du rayonnement solaire Les

panneaux photovoltaiumlques composeacutes de cellules photovoltaiumlques agrave base de silicium ont

la capaciteacute de transformer lrsquoeacutenergie photonique en eacutenergie eacutelectrique Le courant

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

actuellement coucircteuse bien que la matiegravere premiegravere (silice) soit abondante et peu

oneacutereuse Cela srsquoexplique par une eacutenergie significative neacutecessaire agrave la production des

cellules De reacuteels progregraves ont toutefois eacuteteacute reacutealiseacutes Agrave lrsquoheure actuelle il faut quand

mecircme 5 agrave 8 ans pour qursquoun panneau produise lrsquoeacutenergie que sa construction a utiliseacutee

Un autre inconveacutenient est celui de la pollution agrave la production qui est due agrave la

technologie employeacutee Des avanceacutees technologiques sont en cours de reacutealisation En

raison des caracteacuteristiques eacutelectriques fortement non lineacuteaires des cellules et de leurs

associations le rendement des systegravemes photovoltaiumlques peut ecirctre augmenteacute par les

solutions utilisant la technique deacutesormais classique et eacuteprouveacutee de recherche du point de

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

eacutegalement utilisable pour la production drsquoeacutenergie eacuteolienne

Les panneaux solaires sont faciles agrave mettre en œuvre Leur inteacutegration dans un bacirctiment

peut aussi ajouter une touche estheacutetique Ils apportent une bonne reacuteponse aux besoins

eacutenergeacutetiques limiteacutes dans les sites isoleacutes et disperseacutes (teacuteleacutecommunication balises

maritimeshellip)

Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque est en tregraves forte progression en 2001 lrsquoEurope comptait

environ 250 MW installeacutes en 2003 ce chiffre est monteacute agrave 560 MW (Mirecki 2005)

1143 lrsquoEolien

La ressource eacuteolienne provient du vent lequel est ducirc indirectement agrave lrsquoensoleillement de

la Terre une diffeacuterence de pression se creacutee entre certaines reacutegions de la planegravete en

fonction du reacutechauffement ou du refroidissement local mettant ainsi des masses drsquoair en

mouvement Exploiteacutee depuis lrsquoantiquiteacute puis longtemps neacutegligeacutee cette eacutenergie connaicirct


depuis environ 30 ans un essor sans preacuteceacutedent notamment ducirc aux premiers chocs

peacutetroliers Agrave lrsquoeacutechelle mondiale lrsquoeacutenergie eacuteolienne maintient un taux de croissance de

30 par an depuis une dizaine drsquoanneacutees LrsquoEurope principalement sous lrsquoimpulsion

allemande scandinave et espagnole comptait environ 15000 MW de puissance installeacutee

en 2000 Ce chiffre a presque doubleacute en 2003 soit environ 27000 MW pour 40000MW

de puissance installeacutee dans le monde Les preacutevisions pour 2010 font eacutetat drsquoune

puissance eacuteolienne installeacutee en Europe de lrsquoordre 70000 MW (Mirecki 2005)

1144 Environnement et Coucirct des Energies Renouvelables

Vis-agrave-vis du respect de lrsquoenvironnement les eacutenergies renouvelables ont un avantage

majeur mecircme si leur inteacuterecirct eacuteconomique agrave court terme nrsquoest pas toujours aveacutereacute Ainsi

en 2001 les eacuteoliennes installeacutees au Danemark ndash un des pays parmi les mieux eacutequipeacutes ndash

ont permis drsquoeacuteviter 35 millions de tonnes de CO2 6450 tonnes de SO2 6000 tonnes

drsquooxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons 2005)

Si lrsquoon tient compte de la pollution produite lors de la fabrication des diffeacuterentes

technologies lrsquoeacutenergie eacuteolienne est la moins polluante avec seulement 9 g de CO2 par

kWh (Mons 2005) La biomasse est eacutegalement tregraves bien placeacutee car elle ne contribue pas

au reacutechauffement climatique dans la mesure ougrave le bois pendant sa croissance fixe une

quantiteacute au moins eacutequivalente de CO2 Seul le nucleacuteaire est en mesure de rivaliser avec

les eacutenergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 eacutemis par kWh Cependant la

production drsquoeacutelectriciteacute nucleacuteaire geacutenegravere des deacutechets radioactifs peu complexes agrave geacuterer

mais sources drsquoinquieacutetudes pour lrsquoavenir (en particulier ceux agrave vie longue hautement

radioactifs)

Les eacutenergies renouvelables hors lrsquohydroeacutelectriciteacute se heurtent cependant agrave plusieurs

obstacles dont le plus important est incontestablement eacuteconomique A lrsquoheure actuelle

elles sont peu ou pas rentables A lrsquoexception de lrsquohydroeacutelectriciteacute ndash deacutejagrave largement

exploiteacutee ndash les eacutenergies renouvelables souffrent de la comparaison eacuteconomique avec

drsquoautres sources drsquoeacutenergie Quelques exemples suffisent agrave reacuteveacuteler les eacutecarts


Coucircts drsquoInvestissement et drsquoExploitation

Alors que le coucirct drsquoinvestissement drsquoun cycle combineacute au gaz naturel est infeacuterieur agrave 500

eurokW (Mons 2005) il est geacuteneacuteralement compris entre 1000 et 3000 eurokW pour lrsquoeacuteolien

et entre 3000 et 5000 eurokW pour le photovoltaiumlque Actuellement le coucirct moyen du

kWh nucleacuteaire est de lrsquoordre de 3 agrave 4 centimes drsquoeuro (ceuro) et de 4 agrave 8 ceuro selon le site

dans le cas du kWh drsquoorigine eacuteolienne la plus compeacutetitive des eacutenergies renouvelables

hors hydroeacutelectriciteacute Toutefois lrsquoeacuteolien peut rivaliser avec la production drsquoeacutelectriciteacute agrave

partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du marcheacute

Les coucircts de production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir des autres eacutenergies renouvelables sont

encore plus hauts (15 ceuro pour la geacuteothermie et jusqursquoagrave 65 ceuro pour le photovoltaiumlque)

Les progregraves sont neacuteanmoins tregraves rapides et lrsquoeacuteolien est deacutesormais proche des eacutenergies

classiques En un peu plus de 20 ans le coucirct du kWh eacuteolien a diminueacute de pregraves de 90

(38 ceuro en 1980) De la mecircme maniegravere les prix des panneaux photovoltaiumlques baissent

drsquoenviron 4 par an depuis 15 ans gracircce aux effets de seacuterie (Mons 2005)

Impact sur lrsquoEnvironnement

La compeacutetitiviteacute des eacutenergies renouvelables pourrait ecirctre dopeacutee si les coucircts annexes des

diffeacuterentes eacutenergies eacutetaient pris en compte La Commission Europeacuteenne estime le

surcoucirct lieacute agrave la deacutegradation de lrsquoenvironnement entre 2 et 15 ceuro pour une centrale au

charbon entre 3 et 11 ceuro pour une centrale au fioul au maximum 25 ceuro pour les

eacutenergies renouvelables (Mons 2005) La hieacuterarchie des coucircts de production du kWh agrave

partir des diffeacuterentes eacutenergies srsquoen trouve complegravetement modifieacutee La plupart des

eacutenergies renouvelables sont alors plus compeacutetitives que les centrales au charbon et au

fioul Actuellement ces coucircts annexes ne sont pas retenus mais des reacuteflexions sont

meneacutees sur la mise en place de laquo certificats verts raquo (quotas de production drsquoeacutelectriciteacute agrave

partir de renouvelables)

Outre leur manque de compeacutetitiviteacute eacuteconomique les eacutenergies renouvelables ndash en

particulier lrsquoeacuteolien et le solaire ndash ont un inconveacutenient seacuterieux lrsquointermittence Leur

disponibiliteacute est en effet irreacuteguliegravere puisqursquoelle deacutepend de la vitesse du vent et de

lrsquoensoleillement En deacutepit de ces deacutesagreacutements des entreprises speacutecialiseacutees dans la


construction eacuteolienne ont eacutemergeacute en particulier en Allemagne au Danemark et en

Espagne Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubleacute son chiffre drsquoaffaires depuis

2000 pour atteindre 17 milliards drsquoeuros en 2003 Lrsquoutilisation de moyens de stockage

permet de reacuteduire les inconveacutenients de lrsquointermittence des sources drsquoeacutenergie (Breeze

2005 Ribeiro et al 2001)

12 Classement des Turbines Eoliennes

Apregraves ses premiegraveres utilisations agrave lrsquoeacutepoque de la Perse Antique la technologie qui

permet de profiter de lrsquoeacutenergie du vent a eacutevolueacute sous diverses formes et types de

machines La structure de base des turbines eacuteoliennes consiste aujourdrsquohui en un rotor

pour capter lrsquoeacutenergie du vent en la transformant en eacutenergie en rotation un systegraveme

drsquoengrenage pour deacutemultiplier la vitesse de rotation du rotor une machine eacutelectrique

pour convertir lrsquoeacutenergie meacutecanique en eacutelectriciteacute Un scheacutema de principe est donneacute agrave la

figure 12 Il existe diffeacuterentes faccedilons de classer les turbines eacuteoliennes mais celles-ci

appartiennent principalement agrave deux groupes selon lrsquoorientation de leur axe de rotation

celles agrave axe horizontal et celles agrave axe vertical

Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox

Electric grid or load

Figure 12 Scheacutema de principe drsquoun systegraveme eacuteolien

121 Turbines Eoliennes agrave Axe Horizontal (HAWT)

Une turbine agrave axe de rotation horizontal demeure face au vent comme les heacutelices des

avions et des moulins agrave vent Elle est fixeacutee au sommet drsquoune tour ce qui lui permet de


capter une quantiteacute plus importante drsquoeacutenergie eacuteolienne La plupart des eacuteoliennes

installeacutees sont agrave axe horizontal Ce choix preacutesente plusieurs avantages comme la faible

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

obtenue et la puissance de la masse drsquoair en mouvement) relativement eacuteleveacute (Mathew

2006) Toutefois la boite de vitesses et la machine eacutelectrique doivent ecirctre installeacutees en

haut de la tour ce qui pose des problegravemes meacutecaniques et eacuteconomiques Par ailleurs

lrsquoorientation automatique de lrsquoheacutelice face au vent neacutecessite un organe suppleacutementaire

(laquo queue raquo laquo yaw control raquohellip)

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

Une eacuteolienne mono-pale est moins coucircteuse car les mateacuteriaux sont en moindre quantiteacute

et par ailleurs les pertes aeacuterodynamiques par pousseacutee (drag) sont minimales

Cependant un contrepoids est neacutecessaire et ce type drsquoeacuteolienne nrsquoest pas tregraves utiliseacute agrave

cause de cela Tout comme les rotors mono-pales les rotors bipales doivent ecirctre munis

drsquoun rotor basculant pour eacuteviter que lrsquoeacuteolienne ne reccediloive des chocs trop forts chaque

fois qursquoune pale de rotor passe devant la tour (Windpower 2007) Donc pratiquement

toutes les turbines eacuteoliennes installeacutees ou agrave installer prochainement sont du type tripale

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

elles preacutesentent le coefficient de puissance le plus eacuteleveacute actuellement

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

wind) ou en laquo aval raquo (down-wind) La figure 13 montre les deux types mentionneacutes Les

premiegraveres ont le rotor face au vent puisque le flux drsquoair atteint le rotor sans obstacle le

problegraveme de laquo lrsquoombre de la tour raquo (tower shadow) est bien moindre Neacuteanmoins un

meacutecanisme drsquoorientation est essentiel pour maintenir en permanence le rotor face au

vent Les eacuteoliennes agrave rotor en aval nrsquoont pas besoin de ce meacutecanisme drsquoorientation mais

le rotor est placeacute de lrsquoautre coteacute de la tour il peut donc y avoir une charge ineacutegale sur

les pales quand elles passent dans lrsquoombre de la tour De ces deux types drsquoeacuteoliennes

celle en amont est largement preacutedominante


Figure 13 Turbines eacuteoliennes en amont et en aval

122 Turbines Eoliennes agrave Axe Vertical (VAWT)

Lrsquoaxe de rotation drsquoune VAWT est vertical par rapport au sol et perpendiculaire agrave la

direction du vent Ce type de turbine peut recevoir le vent de nrsquoimporte quelle direction

ce qui rend inutile tout dispositif drsquoorientation Le geacuteneacuterateur et la boite drsquoengrenages

sont disposeacutes au niveau du sol ce qui est plus simple et donc eacuteconomique (Mathew

2006) La maintenance du systegraveme est eacutegalement simplifieacutee dans la mesure ougrave elle se

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

HAWT La figure 14 montre trois conceptions de VAWT

Un inconveacutenient pour certaines VAWT est de neacutecessiter un dispositif auxiliaire de

deacutemarrage Drsquoautres VAWT utilisent la pousseacutee (drag) plutocirct que la portance

aeacuterodynamique (lift effet qui permet agrave un avion de voler) ce qui se traduit par une

reacuteduction du coefficient de puissance et un moindre rendement La majoriteacute des VAWT

tourne agrave faible vitesse ce qui est tregraves peacutenalisant dans les applications de geacuteneacuteration

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

permettre une importante deacutemultiplication Le faible rendement aeacuterodynamique et la

quantiteacute de vent reacuteduite qursquoelles reccediloivent au niveau du sol constituent les principaux

handicaps des VAWT face aux HAWT


Figure 14 Turbines agrave axe vertical (Source Hau 2006)

13 Boite de Vitesses

La boite de vitesses est un composant important dans la chaicircne de puissance drsquoune

turbine eacuteolienne La vitesse de rotation drsquoune turbine eacuteolienne typique est de lrsquoordre de

quelques toursmn agrave quelques certaines de toursmn selon ses dimensions (Breeze

2005 Mathew 2006) alors que la vitesse optimale drsquoun geacuteneacuterateur conventionnel se

situe entre 800 et 3600 toursmn En conseacutequence une boite de vitesses eacuteleacutevatrice est

habituellement neacutecessaire pour adapter les deux vitesses de rotation

La boite de vitesses drsquoune turbine eacuteolienne doit ecirctre extrecircmement robuste (heavy duty)

Lrsquoideacuteal serait que le geacuteneacuterateur eacutelectrique puisse aussi fonctionner agrave vitesse variable

comme celle du vent Cette approche implique toutefois un convertisseur eacutelectronique

pour adapter la freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur agrave celle du reacuteseau Le surcoucirct

nrsquoest pas neacutegligeable

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

par lrsquointroduction drsquoun systegraveme drsquoengrenage agrave 2 ou 3 eacutetages Si un rapport plus eacuteleveacute est

neacutecessaire un ensemble drsquoengrenages dans un autre arbre intermeacutediaire peut

srsquointroduire dans le systegraveme Neacuteanmoins le rapport entre un ensemble drsquoengrenages est

contraint normalement agrave 16 (Mathew 2006) De plus les engrenages eacutepicycloiumldaux

peuvent transmettre de maniegravere fiable des grandes charges De nos jours des boites agrave


haute performance avec des rapports de 1100 et plus sont utiliseacutees sur les grands

geacuteneacuterateurs

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

2005 Hau 2006) Les problegravemes constateacutes proviennent drsquoun mauvais

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

eacuteoliennes il est difficile drsquoestimer les fortes charges dynamiques que la boite doit

supporter Historiquement les premiegraveres boites eacutetaient sous-dimensionneacutees

Lrsquoexpeacuterience des casses qui srsquoensuivirent a permis aux constructeurs de parvenir agrave un

dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau 2006)

Les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement des chiffres pour le

rendement des boites de vitesses utiliseacutees dans les applications eacuteoliennes et le concept

drsquoentraicircnement direct (gearless) sont donneacutes dans lrsquoannexe A

14 Geacuteneacuterateurs

Lrsquoapplication la plus freacutequente des turbines eacuteoliennes est aujourdrsquohui la production

drsquoeacutelectriciteacute Pour cela lrsquoutilisation drsquoune machine eacutelectrique est indispensable Les

geacuteneacuterateurs habituellement rencontreacutes dans les eacuteoliennes sont preacutesenteacutes dans ce qui suit

Diffeacuterents types de machines eacutelectriques peuvent ecirctre utiliseacutes pour la geacuteneacuteration de

puissance eacuteolienne Des facteurs techniques et eacuteconomiques fixent le type de machine

pour chaque application Pour les petites puissances (lt 20 kW) la simpliciteacute et le coucirct

reacuteduit des geacuteneacuterateurs synchrones agrave aimants permanents (PMSG) expliquent leur

preacutedominance Dans les applications de plus forte puissance jusqursquoagrave 2 MW environ le

geacuteneacuterateur asynchrone est plus courant et eacuteconomique


141 Geacuteneacuterateur Asynchrone (IG)

Le geacuteneacuterateur agrave induction est largement utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes de moyenne

et grande puissance en raison de sa robustesse sa simpliciteacute meacutecanique et son coucirct

reacuteduit Son inconveacutenient majeur est la consommation drsquoun courant reacuteactif de

magneacutetisation au stator

1411 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Cage drsquoEcureuil (SCIG)

Jusqursquoagrave preacutesent le SCIG correspond au choix preacutepondeacuterant de par sa simpliciteacute son bon

rendement et une maintenance reacuteduite (Ackermann 2005) La demande de puissance

reacuteactive est compenseacutee par la connexion drsquoun groupe de condensateurs en parallegravele avec

le geacuteneacuterateur (Figure 15) ou par la mise en œuvre drsquoun convertisseur statique de

puissance (Figure 17)

Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load

Figure 15 Systegraveme de conversion eacuteolien avec SCIG agrave vitesse fixe

1412 Geacuteneacuterateur Asynchrone agrave Rotor Bobineacute (WRIG)

Gracircce agrave un systegraveme de bagues et balais la tension appliqueacutee au rotor peut ecirctre

commandeacutee par un convertisseur eacutelectronique de puissance De lrsquoeacutenergie pouvant ainsi

ecirctre appliqueacutee ou extraite du rotor le geacuteneacuterateur peut se magneacutetiser par le rotor comme

par le stator (Ackermann 2005)


Geacuteneacuterateur Asynchrone Doublement Alimenteacute (DFIG)

Une des configurations en forte croissance dans le marcheacute des turbines eacuteoliennes est

connue sous le nom de geacuteneacuterateur asynchrone doublement alimenteacute (DFIG) Celui-ci est

un WRIG dont le stator est relieacute directement au reacuteseau de puissance et dont le rotor est

connecteacute agrave un convertisseur de type source de tension (VSC) en laquo back-to-back raquo qui

fait office de variateur de freacutequence La double alimentation fait reacutefeacuterence agrave la tension

du stator preacuteleveacutee au reacuteseau et agrave la tension du rotor fournie par le convertisseur Ce

systegraveme permet un fonctionnement agrave vitesse variable sur une plage speacutecifique de

fonctionnement Le convertisseur compense la diffeacuterence des freacutequences meacutecanique et

eacutelectrique par lrsquoinjection drsquoun courant agrave freacutequence variable au rotor (Figure 16)

Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~

Figure 16 Systegraveme avec DFIG pour lrsquoopeacuteration agrave vitesse variable

Les points forts du DFIG sont

a) Sa capaciteacute de commander la puissance reacuteactive et de cette faccedilon de deacutecoupler

la commande des puissances active et reacuteactive

b) Il peut se magneacutetiser agrave partir du rotor sans preacutelever au reacuteseau la puissance

reacuteactive neacutecessaire

c) Il est capable drsquoeacutechanger de la puissance reacuteactive avec le reacuteseau pour faire la

commande de tension

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

totale du geacuteneacuterateur mais aussi avec la gamme de vitesse choisie En fait le

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


synchronisme Son inconveacutenient reacuteside dans la preacutesence obligatoire de bagues et

balais

142 Geacuteneacuterateur Synchrone (SG)

Lrsquoavantage du geacuteneacuterateur synchrone sur lrsquoIG est lrsquoabsence de courant reacuteactif de

magneacutetisation Le champ magneacutetique du SG peut ecirctre obtenu par des aimants ou par un

bobinage drsquoexcitation conventionnel Si le geacuteneacuterateur possegravede un nombre suffisant de

pocircles il peut srsquoutiliser pour les applications drsquoentraicircnement direct (direct-drive) qui ne

neacutecessitent pas de boite de vitesses (gearless) Le SG est toutefois mieux adapteacute agrave la

connexion indirecte au reacuteseau de puissance agrave travers un convertisseur statique (Figure

17) lequel permet un fonctionnement agrave vitesse variable Pour des uniteacutes de petites

tailles le geacuteneacuterateur agrave aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coucircteux

Au-delagrave de 20 kW (environ) le geacuteneacuterateur synchrone est plus coucircteux et complexe

qursquoun geacuteneacuterateur asynchrone de taille eacutequivalente (Ackermann 2005)

Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~

Figure 17 Systegraveme avec geacuteneacuterateur synchrone pour un fonctionnement agrave vitesse

variable

1421 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Rotor Bobineacute (WRSG)

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

constante laquelle est fixeacutee par la freacutequence du reacuteseau et le nombre de pocircles de la

machine Lrsquoexcitation est fournie par le systegraveme de bagues et balais ou par un systegraveme


brushless avec un redresseur tournant La mise en œuvre drsquoun convertisseur dans un

systegraveme multipolaire sans engrenages permet un entraicircnement direct agrave vitesse variable

Toutefois cette solution implique lrsquoutilisation drsquoun geacuteneacuterateur surdimensionneacute et drsquoun

convertisseur de puissance dimensionneacute pour la puissance totale du systegraveme

1422 Geacuteneacuterateur Synchrone agrave Aimants Permanents (PMSG)

La caracteacuteristique drsquoauto excitation du PMSG lui permet de fonctionner avec un facteur

de puissance eacuteleveacute et un bon rendement ce qui le rend propice agrave lrsquoapplication agrave des

systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne (Ackermann 2005) En fait dans la cateacutegorie des

petites turbines son coucirct reacuteduit et sa simpliciteacute en font le geacuteneacuterateur le plus employeacute

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

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

compeacutetitif

143 Autres Geacuteneacuterateurs

Les eacuteoliennes raccordeacutees au reacuteseau de puissance neacutecessitent un transformateur eacuteleacutevateur

pour adapter la tension de la machine agrave celle du reacuteseau En conseacutequence la mise en

œuvre de geacuteneacuterateurs laquo haute tension raquo est une solution en cours drsquoeacutevaluation Cela

permettrait en conseacutequence de diminuer les pertes par effet joule du systegraveme en

eacuteliminant le transformateur Crsquoest aussi au niveau de lrsquoonduleur que cela peut-ecirctre

inteacuteressant avec des IGBT haute tension Dans cette optique les machines synchrones et

agrave induction sont des options inteacuteressantes pour des turbines eacuteoliennes de plus de 3 MW

Cependant leur coucirct eacuteleveacute des problegravemes de seacutecuriteacute et de dureacutee de vie limitent leur

commercialisation (Ackermann 2005)

Les caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave reacuteluctance commuteacutee (SRG) sont la robustesse une

structure simple un rendement eacuteleveacute des coucircts reacuteduits et la possibiliteacute de fonctionner

sans boite drsquoengrenages (Ackermann 2005) Toutefois son adaptation aux turbines

eacuteoliennes nrsquoa pas eacuteteacute eacutetudieacutee en deacutetail Les inconveacutenients consistent en une densiteacute de


puissance et un rendement infeacuterieurs agrave ceux du PMSG De plus il neacutecessite un

convertisseur dimensionneacute pour toute la puissance geacuteneacutereacutee

Lrsquoutilisation du geacuteneacuterateur agrave flux transversal (TFG) est aussi agrave lrsquoeacutetude Il srsquoagit drsquoune

option inteacuteressante encore peu eacutevoqueacutee pour une application aux systegravemes de

geacuteneacuteration eacuteolienne Ce geacuteneacuterateur autorise un nombre de pocircles eacuteleveacute pour une

application gearless Cependant le nombre de composants neacutecessaires et une

technologie encore agrave ses deacutebuts en limitent son application (Ackermann 2005)

144 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes

Trois types de machines eacutelectriques se retrouvent principalement dans une eacuteolienne de

petite taille (lt20 kW) lrsquoalternateur agrave aimants permanents la geacuteneacuteratrice agrave courant

continu et lrsquoalternateur agrave excitation bobineacutee sans balai Chaque machine a des avantages

et des inconveacutenients qui lui sont propres (Association Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne

ACCE 2006)

Dans les alternateurs agrave aimants permanents le champ magneacutetique creacuteeacute par les aimants

est constant Ces alternateurs sont beaucoup plus leacutegers que les autres types de

geacuteneacuterateurs qui utilisent un enroulement de cuivre autour drsquoun noyau magneacutetique pour

creacuteer le champ magneacutetique Les alternateurs agrave aimants permanents produisent un

courant et une tension de freacutequence proportionnelle agrave la vitesse de rotation (qui varie

elle-mecircme avec la vitesse du vent dans le cas drsquoune eacuteolienne) Ainsi un mateacuteriel

eacutelectrique conccedilu pour fonctionner agrave la freacutequence du reacuteseau ne peut pas ecirctre connecteacute

directement agrave lrsquoalternateur drsquoune eacuteolienne Il est neacutecessaire de passer par un

convertisseur de freacutequence en geacuteneacuteral par un redresseur et un onduleur La tension

intermeacutediaire deacutelivreacutee par le redresseur eacutetant de nature continue un stockage drsquoeacutenergie

sous forme de batterie est en outre envisageable

La geacuteneacuteratrice agrave aimants permanents est simple et preacutesente un bon rendement Dans

plusieurs eacuteoliennes de petite taille les aimants tournent autour du stator alors situeacute au


centre de la machine Il est possible drsquoimmobiliser le rotor en preacutesence de vents

modeacutereacutes de faccedilon agrave reacutealiser la maintenance de la turbine

Certains fabricants affirment que les alternateurs agrave aimants permanents sont les

meilleures machines pour de petites eacuteoliennes en raison drsquoun entretien reacuteduit

Lrsquoentretien drsquoune geacuteneacuteratrice agrave courant continu est plus freacutequent puisquil faut remplacer

les balais tous les 6 ou 10 ans Toutefois ce remplacement ne preacutesente pas de difficulteacutes

particuliegraveres Pour le fabricant le principal avantage des alternateurs agrave aimants

permanents reacuteside dans leur coucirct relativement faible les aimants sont moins coucircteux

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

eacutegalement drsquoautres avantages pour lrsquoutilisateur le freinage dynamique et la production

drsquoun courant alternatif plutocirct que continu ce qui repreacutesente des eacuteconomies agrave lrsquoachat du

cacircble eacutelectrique reliant lrsquoeacuteolienne agrave lrsquoarmoire eacutelectrique

Cependant contrairement aux alternateurs agrave aimants permanents dans lesquels

lrsquoinduction drsquoexcitation demeure constante lrsquoinduction magneacutetique dans lrsquoalternateur agrave

rotor bobineacute peut ecirctre moduleacutee selon la vitesse du vent pour une utilisation optimale de

lrsquoeacuteolienne

Un avantage des alternateurs agrave inducteur bobineacute est leur capaciteacute de deacutemarrage par

vents faibles Ceci srsquoexplique par le fait qursquoil nrsquoy a presque pas de flux magneacutetique

deacuteveloppeacute par lrsquoinducteur donc une tregraves faible reacutesistance au mouvement pour

lrsquoarmature en rotation Lrsquoinduction magneacutetique peut ecirctre augmenteacutee au fur et agrave mesure

que les vents se renforcent En conseacutequence la geacuteneacuteratrice agrave rotor bobineacute permet de

deacutelivrer une puissance eacutevoluant comme le cube de la vitesse du vent multipliant par 8 la

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

alternateurs agrave aimants permanents preacutesentent une induction magneacutetique constante quelle

que soit la vitesse de rotation du rotor Le rotor est donc plus difficile agrave deacutemarrer et

lrsquoalternateur nrsquoest performant que dans une gamme limiteacutee de puissance Les autres

points de fonctionnement ne correspondent qursquoagrave des compromis lors du

dimensionnement ce qui est particuliegraverement peacutenalisant en cas de vents moyens ou

faibles cest-agrave-dire le plus souvent pour une eacuteolienne


Afin de limiter ce problegraveme les fabricants qui utilisent des alternateurs agrave aimants

permanents conccediloivent les pales pour maximiser le couple de deacutemarrage afin que le

rotor puisse deacutemarrer agrave vent reacuteduit Cette conception drsquoheacutelice a aussi un impact sur le

rendement aeacuterodynamique agrave des vitesses de vent plus eacuteleveacutees

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

types de machines Ils possegravedent un inducteur bobineacute et nrsquoont pas de balais Cependant

comparativement aux alternateurs agrave aimants permanents les alternateurs sans balais

sont plus complexes Ils sont donc plus coucircteux agrave lrsquoachat comme agrave lrsquoentretien

15 Systegravemes de Stockage pour la production drsquoeacutelectriciteacute

Le stockage drsquoeacutelectriciteacute preacutesente plusieurs attraits importants pour la geacuteneacuteration la

distribution et lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Pour le reacuteseau public par exemple

une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile pour conserver lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee

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

demandes Le stockage drsquoeacutenergie permet de fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up) en

cas de panne de reacuteseau le stockage drsquoeacutenergie est la seule reacuteponse possible agrave une perte

du reacuteseau drsquoalimentation eacutelectrique Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important

dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de sources renouvelables (Breeze 2005 Ribeiro

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

lrsquoeacuteolien et les mareacutees rendent neacutecessaire une forme de stockage

Cependant le stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest pas encore largement reacutepandu La

disponibiliteacute et le coucirct eacuteleveacute des diffeacuterentes technologies expliquent en partie cet eacutetat de

fait Avant les anneacutees 1980 le pompage de lrsquoeau dans les centrales hydrauliques

constituait pratiquement le seul systegraveme de stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave grande

eacutechelle Depuis drsquoautres systegravemes se sont deacuteveloppeacutes et les applications domestiques

sont en plein deacuteveloppement mais le coucirct reste un handicap


151 Types de Stockage drsquoEnergie

Lrsquoeacutelectriciteacute doit ecirctre consommeacutee au moment mecircme de sa geacuteneacuteration Le reacuteseau

eacutelectrique doit donc ecirctre reacuteguleacute en permanence et les systegravemes de dispatching

eacutequilibrent la demande drsquoeacutelectriciteacute et sa production Disposer drsquoune reacuteserve

drsquoeacutelectriciteacute apparaicirct comme un atout majeur pour le fonctionnement du reacuteseau

Cependant le stockage de lrsquoeacutelectriciteacute est difficile agrave maicirctriser

Les deux moyens reacutealistes de stockage eacutelectrique utilisent pour lrsquoun une bobine

(eacuteventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserveacute un courant continu pour

lrsquoautre un condensateur aux bornes duquel est conserveacutee une tension continue Les

autres systegravemes de stockage passent par une autre forme drsquoeacutenergie (cineacutetique

chimiquehellip) lrsquoeacutenergie doit alors ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute pour ecirctre restitueacutee

Une batterie rechargeable donne lrsquoillusion de stocker de lrsquoeacutelectriciteacute en reacutealiteacute elle

conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale hydraulique agrave pompage

utilise lrsquoeacutenergie potentielle Un volant drsquoinertie conserve lrsquoeacutenergie cineacutetique Un

systegraveme de stockage agrave air comprimeacute (CAES de Compressed Air Energy Storage)

conserve une autre forme drsquoeacutenergie potentielle

Parmi toutes ces solutions de stockage drsquoeacutelectriciteacute plusieurs sont deacutejagrave disponibles au

niveau commercial drsquoautres sont encore au stade du deacuteveloppement Chacune a ses

avantages et ses inconveacutenients

Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont actuellement disponibles

(Breeze 2005) le stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre

mesure dans des grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes

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

stockage drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie sous forme magneacutetique agrave lrsquoaide de bobinage

supraconducteur (SMES de Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute

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

installations mais il a encore un coucirct eacuteleveacute (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)


Pour les systegravemes isoleacutes de petite puissance qui utilisent des eacutenergies renouvelables le

moyen de stockage habituellement utiliseacute repose sur la mise en œuvre de batteries En

particulier les batteries au plomb preacutesentent lrsquoavantage drsquoune grande disponibiliteacute et

celui drsquoun rapport prixdureacutee de vie satisfaisant Un eacutetat de lrsquoart des diffeacuterentes formes

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

16 Applications des Turbines Eoliennes

Agrave la diffeacuterence des siegravecles passeacutes il nrsquoest plus neacutecessaire drsquoinstaller les systegravemes eacuteoliens

preacuteciseacutement sur le lieu drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie Les systegravemes eacuteoliens sont maintenant

utiliseacutes pour geacuteneacuterer de lrsquoeacutenergie eacutelectrique qui est transfeacutereacutee par un reacuteseau eacutelectrique

sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs

Les systegravemes de geacuteneacuteration eacuteolienne individuels (stand-alone) qui fournissent de

lrsquoeacutelectriciteacute agrave de petites communauteacutes sont assez reacutepandus La caracteacuteristique

intermittente du vent est agrave lrsquoorigine de systegravemes hybrides avec un soutien diesel etou

photovoltaiumlque pour lrsquoutilisation dans des endroits isoleacutes Pour augmenter la puissance

les turbines eacuteoliennes peuvent ecirctre regroupeacutees en parcs eacuteoliens et transfeacuterer lrsquoeacutenergie au

reacuteseau public agrave travers leurs propres transformateurs lignes de transport et sous-

stations Les parcs eacuteoliens tendent agrave se deacuteplacer vers des sites marins (off-shore) pour

capter davantage drsquoeacutenergie du vent

161 Systegravemes de Puissance Isoleacutes et Emploi de lrsquoEnergie Eolienne

Les systegravemes de puissance isoleacutes alimenteacutes en eacutelectriciteacute par des moyens eacuteoliens et

autres formes drsquoeacutenergie renouvelable eacutemergentes sont aujourdrsquohui des options

techniquement fiables Ces systegravemes sont freacutequemment perccedilus comme plus approprieacutes

pour lrsquoalimentation locale de puissance dans les pays en deacuteveloppement Le progregraves

technologique leur assure un potentiel important comme eacuteleacutements de geacuteneacuteration

distribueacutes pour les grands reacuteseaux de puissance dans les pays deacuteveloppeacutes


Durant les derniegraveres anneacutees drsquoimportants efforts ont eacuteteacute meneacutes pour lrsquoimpleacutementation

de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans des systegravemes de puissance locaux et reacutegionaux agrave travers

lrsquointeacutegration de systegravemes de distribution de petite et moyenne taille (Ackermann 2005)

De nombreux travaux ont eacuteteacute publieacutes et il existe une litteacuterature abondante sur le sujet

Les eacutetudes et le deacuteveloppement des systegravemes eacuteoliens pour les clients isoleacutes sont

neacuteanmoins reacutealiseacutes majoritairement au cas par cas et il est difficile de geacuteneacuteraliser les

reacutesultats drsquoun projet agrave lrsquoautre

Dans le domaine de lrsquoeacutelectrification rurale il existe normalement deux meacutethodes pour

fournir de lrsquoeacutenergie eacutelectrique

a) Extension du reacuteseau de puissance

b) Utilisation de geacuteneacuterateurs diesel

Pour des lieux eacuteloigneacutes ces deux solutions peuvent ecirctre excessivement oneacutereuses

Lrsquointroduction de technologies renouvelables peut contribuer agrave diminuer les coucircts de

fourniture drsquoeacutenergie pour ces sites isoleacutes en reacuteduisant les coucircts de fonctionnement Les

technologies renouvelables autres que la biomasse sont deacutependantes drsquoune source non-

fatale (dispatchable) la combinaison drsquoune technologie renouvelable de coucirct faible

avec une technologie non-fatale plus coucircteuse repreacutesente donc une option inteacuteressante

Les systegravemes de puissance qui utilisent plusieurs sources de geacuteneacuteration sont appeleacutes

laquo systegravemes de puissance hybrides raquo Pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute agrave une communauteacute

eacuteloigneacutee ces systegravemes integravegrent diffeacuterents composants production stockage

conditionnement de puissance et systegravemes de commande

Les systegravemes hybrides classiques sont composeacutes drsquoun bus agrave courant continu (DC) pour

le groupe de batteries et drsquoun autre agrave courant alternatif (AC) pour le geacuteneacuterateur et la

distribution Cependant les reacutecents progregraves dans les domaines de lrsquoeacutelectronique de

puissance et des systegravemes de commande permettent de reacuteduire les coucircts avec une

structure employant un seul bus AC Les sources renouvelables peuvent ecirctre connecteacutees

au bus AC ou au bus DC selon la taille et la configuration du systegraveme Les systegravemes


produisant de lrsquoeacutenergie pour plusieurs maisons etou points de consommation

fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif quelques charges

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

kilowattheures (kWh) jusqursquoagrave plusieurs meacutegawattheures (MWh) par jour

Les systegravemes qui alimentent de petites charges de lrsquoordre de quelques kWhjour

utilisent de preacutefeacuterence le bus DC uniquement Pour des charges plus importantes les

systegravemes utilisent plutocirct le bus AC comme point principal de connexion La tendance

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

inteacutegreacutee ce qui permet une coordination de la production Des eacutecarts importants existent

entre les diffeacuterentes configurations possibles

Taux de Peacuteneacutetration du Vent

La quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacutereacutee par les technologies associeacutees aux sources

renouvelables dans les systegravemes de puissance isoleacutes influence la structure la

performance et lrsquoeacuteconomie du systegraveme Le taux de peacuteneacutetration du vent relie la puissance

produite par des moyens de geacuteneacuteration eacuteoliens et la puissance totale du systegraveme de

puissance

Le rapport de peacuteneacutetration instantaneacutee (PwindPload) est une mesure technique qui

deacutetermine la structure les composants et les principes de commande agrave utiliser pour le

systegraveme Le rapport de peacuteneacutetration moyenne (EwindEload) est une mesure de type

eacuteconomique qui deacutetermine le coucirct de lrsquoeacutenergie du systegraveme et indique le pourcentage de

la geacuteneacuteration qui sera produite par la source renouvelable La deacutetermination du niveau

optimal de peacuteneacutetration moyenne de lrsquoeacuteolien deacutepend de lrsquoeacutecart entre le coucirct drsquoinstallation

de la puissance eacuteolienne et les eacuteconomies associeacutees au remplacement du carburant par

lrsquoeacutenergie renouvelable

1611 Systegravemes Hybrides avec Technologie Eolienne

Dans les systegravemes utilisant un bus DC le groupe de batteries joue le rocircle de reacuteservoir de

puissance qui permet drsquoamortir les fluctuations du flux de charge agrave tregraves court terme et agrave


long terme La reacutegulation est reacutealiseacutee de maniegravere autonome selon quelques paramegravetres

speacutecifiques de la batterie

Pour les systegravemes agrave courant alternatif lrsquoobjectif est drsquoobtenir un eacutequilibre de la

production eacutenergeacutetique reacuteglant la tension et la freacutequence Pour obtenir une tension agrave

une amplitude et une freacutequence stables diverses meacutethodes sont utiliseacutees comme les

condensateurs synchrones des groupes de batteries controcirclables meacutecanismes de

stockage des convertisseurs eacutelectroniques de puissance et des systegravemes de commande

Dans certains cas de petites turbines eacuteoliennes de puissance allant jusqursquoagrave 20 kW sont

directement raccordeacutees aux dispositifs de charge Les exemples les plus courants sont

pour le pompage de lrsquoeau mais drsquoautres applications comme la fabrication de glace

chargement de batteries et compression drsquoair sont prises en compte

Systegravemes Hybrides DC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees

La figure 18 montre un systegraveme de petite puissance DC conventionnel avec une liaison

en courant alternatif agrave travers un onduleur La majoriteacute de ces systegravemes preacutesente une

structure ougrave le bus DC de la batterie est le point central de connexion En geacuteneacuteral les

petites eacuteoliennes produisent de lrsquoeacutelectriciteacute en AC agrave freacutequence variable laquelle est

redresseacutee et appliqueacutee au bus DC Cette eacutenergie est ensuite stockeacutee ou reconvertie en

AC (agrave amplitude et freacutequence fixes) agrave travers un onduleur pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave la

charge

La commande de ces petits systegravemes est faite en fonction de lrsquoeacutetat de charge de la

batterie Le geacuteneacuterateur eacuteolien doit limiter sa tension de sortie et deacuteriver la puissance

produite lorsque la batterie est complegravetement chargeacutee et ne peut donc plus stocker

drsquoeacutenergie A lrsquoopposeacute lrsquoonduleur et la charge doivent se deacuteconnecter pour arrecircter la

deacutecharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite infeacuterieur preacutedeacutefini Ces

deux proprieacuteteacutes impliquent une conception adapteacutee du systegraveme optimisant ainsi les

ressources eacutenergeacutetiques et conduisant agrave une quantiteacute minimale drsquoeacutenergie non fournie


Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller

Figure 18 Systegraveme hybride de puissance avec bus DC avec sources renouvelables et

geacuteneacuterateur diesel

Systegravemes Hybrides AC pour des Petites Communauteacutes Isoleacutees

Dans cette topologie (mini-reacuteseau) les diffeacuterentes sources de production sont

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

deacutedieacutes (Figure 19) De telles structures associent des composants de geacuteneacuteration en DC

ou en AC La faisabiliteacute technique et eacuteconomique de cette structure est lieacutee aux progregraves

des convertisseurs statiques et de leur commande Lrsquoavantage principal est la modulariteacute

qui permet la connexion etou le remplacement de modules de production en cas de

besoin de plus drsquoeacutenergie Lrsquoinstallation des eacuteleacutements sur tout le mini-reacuteseau est possible

ce que le systegraveme avec bus DC ne permet pas

Un deacutesavantage de ces systegravemes est qursquoils ont besoin de technologie eacutevolueacutee donc

chegravere et drsquoapplication difficile dans des lieux isoleacutes De plus lors du stockage de

lrsquoeacutenergie celle-ci doit passer du point de geacuteneacuteration vers le bus AC et traverser le

convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systegraveme ceci signifie que dans les

systegravemes fonctionnant avec une forte capaciteacute de stockage cette topologie preacutesente des

niveaux de pertes supeacuterieurs


Wind turbine

Battery Bank Bidirectional converter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus

PV inverter and controller

WT inverter and

Figure 19 Systegraveme hybride de puissance avec mini-reacuteseau avec sources renouvelables

1612 Systegravemes Hybrides Wind-Diesel

Dans les systegravemes isoleacutes de grande puissance qui associent des turbines eacuteoliennes et des

machines geacuteneacuteratrices diesel la distribution est faite en AC Cette association de

systegraveme de geacuteneacuteration est nommeacutee wind-diesel Ces systegravemes produisent de lrsquoeacutenergie

avec une ou plusieurs sources eacuteoliennes afin de reacuteduire la consommation de carburant

tout en gardant une qualiteacute de lrsquoeacutenergie acceptable Pour ecirctre eacuteconomiquement justifieacute

lrsquoinvestissement en eacutequipement neacutecessaire pour profiter de lrsquoeacutenergie du vent doit se

reacutecupeacuterer agrave travers les eacuteconomies reacutealiseacutees sur le carburant A cause de la grande

quantiteacute de mini-reacuteseaux isoleacutes dont lrsquoeacutenergie primaire est le peacutetrole dans les pays

deacuteveloppeacutes ou dans les pays en voie de deacuteveloppement le marcheacute pour reacuteadapter ces

systegravemes en systegravemes hybrides avec des sources renouvelables de faible coucirct comme

lrsquoeacuteolien est substantiel

Un des deacutefis preacutesenteacute par lrsquoincorporation de lrsquoeacutenergie du vent dans les centrales diesel

est la difficulteacute de reacuteguler la tension et la freacutequence du systegraveme car la production des

eacuteoliennes est lieacutee aux conditions aleacuteatoires du vent Les problegravemes de stabiliteacute de la

tension et de la freacutequence augmentent avec la quantiteacute relative de production eacuteolienne

par rapport agrave la puissance totale du systegraveme Ceci illustre la maniegravere dont le taux de


peacuteneacutetration du vent dans le systegraveme de puissance peut influencer fortement la

conception du systegraveme et de ses composants

1613 Evolution de lrsquoeacuteolien dans les sites isoleacutes

Les turbines eacuteoliennes installeacutees dans un systegraveme isoleacute drsquoune communauteacute rurale

diffegraverent des turbines placeacutees dans les fermes eacuteoliennes laquo offshore raquo au Danemark Il est

utile de preacutesenter une cateacutegorisation des systegravemes de puissance selon le niveau de

puissance installeacutee Une classification est montreacutee dans le Tableau 11

Tableau 11 Classification des systegravemes de puissance

Puissance

installeacutee (kW)

Cateacutegorie Description

lt 1 Micro systegravemes Systegraveme DC drsquoun seul nœud 1 ndash 100 Systegravemes de puissance pour village Systegraveme de puissance de petite taille 100 ndash 10000 Systegravemes de puissance pour icircle Reacuteseau de puissance isoleacute gt 10000 Grands systegravemes interconnecteacutes Grand systegraveme de puissance

Un microsystegraveme utilise typiquement une petite turbine eacuteolienne avec une capaciteacute de

moins de 1 kW

Un systegraveme pour un village a geacuteneacuteralement une capaciteacute entre 1 kW et 100 kW avec

une ou plusieurs turbines eacuteoliennes de lrsquoordre de 1 agrave 50 kW

Un systegraveme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqursquoagrave 10 MW de

puissance installeacutee et ses eacuteoliennes sont dans la gamme des 100 kW agrave 1 MW

Un grand systegraveme de puissance interconnecteacute est normalement plus grand que 10 MW

avec plusieurs grandes turbines eacuteoliennes de plus de 500 kW installeacutees sous forme de

centrales drsquoeacutenergie eacuteolienne ou de fermes eacuteoliennes

Les niveaux theacuteoriques de peacuteneacutetration moyens du vent proposeacutes par Ackermann (2005)

pour les systegravemes du tableau 11 sont traceacutes sous forme de boites en nuances de gris

dans la Figure 110 Ces valeurs sont ordonneacutees en fonction de la capaciteacute totale

installeacutee du systegraveme Selon cet auteur les valeurs de peacuteneacutetration du vent pour un

microsystegraveme devraient ecirctre supeacuterieures agrave 90 de la geacuteneacuteration totale et entre 60 et


100 pour le systegraveme alimentant un village Pour un systegraveme isoleacute de forte puissance

le niveau de peacuteneacutetration du vent nrsquoaurait pas de limites (ni infeacuterieure ni supeacuterieure)

mais pour un grand systegraveme interconnecteacute (gt 10 MW) la valeur maximale proposeacutee est

de lrsquoordre de 65

100 80 60 40 20

Peacuteneacutetration du vent ()

Puissance installeacutee du systegraveme

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

Micro systegraveme

Systegraveme de puissance de village

Systegraveme de puissance insulaire

Grand systegraveme interconnecteacute

Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

Figure 110 Deacuteveloppement preacutesent et futur de la peacuteneacutetration du vent vs la capaciteacute

installeacutee [Source Ackermann 2005]

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

projection pour lrsquoanneacutee 2030 sont utiliseacutees agrave titre de reacutefeacuterence La courbe en tirets

montre la situation actuelle correspondant agrave des systegravemes reacuteels en fonctionnement Elle

indique que le niveau de peacuteneacutetration de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes de

puissance reacuteels diminue avec lrsquoaugmentation de la capaciteacute du systegraveme de puissance

La courbe pointilleacutee indique le potentiel de deacuteveloppement futur vers des niveaux de

peacuteneacutetration eacuteoliens plus importants envisageables pour les 20 ou 30 ans agrave venir Lrsquoicircle

de Froya est un lieu de recherche norveacutegien preacutesentant un taux de peacuteneacutetration moyen

du vent de lrsquoordre de 95 Il sert de reacutefeacuterence pour placer la courbe du futur pour les

systegravemes de puissance


La faisabiliteacute theacuteorique drsquoun taux de peacuteneacutetration tregraves eacuteleveacute drsquoeacutenergie eacuteolienne change

radicalement dans la gamme des systegravemes de 100 kW agrave 10 MW Dans cette gamme la

geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute conventionnelle est baseacutee sur la geacuteneacuteration diesel dont le coucirct

eacutenergeacutetique est plus eacuteleveacute qursquoavec les centrales classiques Les raisons principales des

faibles niveaux de peacuteneacutetration dans les plus grands systegravemes sont alors principalement

eacuteconomiques mecircme si actuellement le coucirct de production de lrsquoeacutenergie eacuteolienne est agrave un

niveau eacutequivalent agrave celui de la plupart des sources conventionnelles Pour nrsquoimporte

quelle configuration donneacutee il y a un taux de peacuteneacutetration eacuteolien limite au dessus

duquel le retour eacuteconomique drsquoun ajout drsquoeacutenergie eacuteolienne commence agrave diminuer En

compleacutement les managers des grands systegravemes doivent adopter une approche prudente

agrave cause des fortes fluctuations de lrsquoeacutenergie eacuteolienne qui demande une eacutenergie de reacuteserve

pour compenser

Comme lrsquoindique la ligne pointilleacutee agrave la Figure 110 un niveau de peacuteneacutetration eacuteolienne

beaucoup plus important est neacuteanmoins preacutevu dans lrsquoavenir Ainsi le deacutefi des systegravemes

nationaux (et internationaux) sera drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux

actuellement observeacutes pour les systegravemes plus petits et isoleacutes Un grand soin doit ecirctre

pris dans le processus drsquointroduction de lrsquoeacutenergie eacuteolienne dans les systegravemes isoleacutes de

puissance eacuteleveacutee car les eacutechecs obtenus dans le passeacute sont nombreux agrave cause de

conceptions ambitieuses comportant un haut degreacute de complexiteacute associeacute agrave une

expeacuterience tregraves limiteacutee dans deacuteveloppement de ce type de projets Lrsquoapproche

recommandeacutee est donc une augmentation progressive partant de la courbe en tirets de la

Figure 112 pour se deacuteplacer vers la ligne pointilleacutee par une approche point par point en

appliquant des concepts simples robustes fiables et bien eacutevalueacutes

1614 Systegravemes et Expeacuterience

Pour accompagner le deacuteveloppement rapide de la technologie des turbines eacuteoliennes les

diffeacuterentes configurations reprennent des concepts anteacuterieurs et sont plutocirct bien

connues Une grande varieacuteteacute de concepts et drsquoapplications rend neacuteanmoins lrsquoeacutetat de lrsquoart

des systegravemes eacuteoliens de puissance plus difficile agrave eacutevaluer


Le tableau 12 montre un reacutesumeacute des plus grands systegravemes de puissance hybrides

installeacutes dans le monde au cours de la derniegravere deacutecennie Tous ces systegravemes produisent

de lrsquoeacutelectriciteacute pour leurs communauteacutes cependant la plupart drsquoentre eux sont installeacutes

dans le cadre de projets de deacutemonstration ou de validation avec un certain degreacute de

cofinancement public Drsquoautres systegravemes ont eacuteteacute installeacutes degraves la moitieacute des anneacutees 80

par quelques laboratoires de recherche drsquoAmeacuterique du Nord et drsquoEurope (Ackermann

2005) Le niveau de puissance de ces diverses applications va de quelques quinzaines de

kW agrave la centaine de kW

Tableau 12 Liste drsquoune seacutelection de systegravemes de puissance hybrides installeacutes dans le

monde pendant la derniegravere dizaine drsquoanneacutees (Ackermann 2006)

Site Pays ou region Peacuteriode drsquoeacutevaluation

Puissance Diesel (kW)

Puissance eacuteolienne (kW)

Caracteacuteristiques Peacuteneacutetration du vent ()

Wales Alaska 1995-2003 411 130 Chauffage Stockage

70

St Paul Alaska 1999 300 225 Chauffage Alto Baguales Chili 2001 13000 1980 Geacuten

Hydraulique 16

Denham Australie 2000 1970 690 50 Sal Cape Vert 1994-2001 2820 600 Deacutesalinisation 14 Mindelo Cape Vert 1994-2001 11200 900 Deacutesalinisation 14 Ile de Dachen China 1989-2001 10440 185 15 Fuerteventura Iles Canaries 1992-2001 150 225 Deacutesalinisation

glace

Ile de Foula Iles Shetland 1990-2001 28 30 Chauffage Geacuten Hydraulique

70

La Deacutesirade Guadeloupe 1993-2001 880 144 40a Marsabit Kenya 1988-2001 300 150 46 Cape Clear Irlande 1987-1990 72 60 Stockage 70a Ile de Rathlin Irlande du Nord 1992-2001 260 99 Stockage 70 Ile de Kythnos

Gregravece 1995-2001 2774 315 Stockage geacuten Photovoltaiumlque

Ile de Froslashya Norvegravege 1992-1996 50 55 Stockage 94 Ile de Lemnos Gregravece 1994- 10400 1140 a valeur pic

1615 Expeacuterience sur les Systegravemes de Puissance Hybrides

Plus drsquoune quinzaine de systegravemes de puissance diesel-eacuteoliens fonctionnent aujourdrsquohui

dans le monde (Ackermann 2005) Le Tableau 12 donne un reacutesumeacute de ces projets Le

retour drsquoexpeacuterience de quelques uns de ces projets montre les diffeacuterentes options pour


associer lrsquoutilisation de la technologie diesel avec drsquoautres sources renouvelables

particuliegraverement lrsquoeacuteolien Ces systegravemes montrent aussi lrsquoapplication de ces installations

dans des emplacements tregraves eacuteloigneacutes sans accegraves aiseacute agrave une infrastructure deacuteveloppeacutee ni

agrave une assistance technique eacutevolueacutee

Wales Alaska Un Systegraveme de Puissance Hybride Wind-Diesel de Haute Peacuteneacutetration

La charge eacutelectrique moyenne pour cette communauteacute est drsquoenviron 70 kW Le systegraveme

de puissance hybride diesel-eacuteolien placeacute agrave Wales en Alaska a commenceacute agrave fonctionner

en mars 2002 Il combine des geacuteneacuterateurs diesel drsquoune puissance totale de 411 kW deux

turbines eacuteoliennes de 65 kW et un groupe de batteries de 130Ah un convertisseur de

puissance tournant et drsquoautres composants de commande Le but initial du systegraveme est

de satisfaire la demande eacutelectrique du village avec une qualiteacute de lrsquoeacutelectriciteacute eacuteleveacutee

tout en minimisant la consommation de gas-oil et le temps de fonctionnement des

moteurs diesel Le systegraveme fournit aussi lrsquoeacutenergie eacuteolienne en excegraves agrave plusieurs charges

thermiques dans le village eacuteconomisant ainsi encore plus de carburant

Les estimations indiquent que les eacuteoliennes fournissent de eacutelectriciteacute avec une

peacuteneacutetration moyenne drsquoapproximativement 70 eacuteconomisant de cette faccedilon 45 de

la consommation de carburant tout en reacuteduisant le temps de fonctionnement des

moteurs diesel de 25

Alto Baguales Chile Un Systegraveme de Puissance Diesel-Eolien-Hydraulique agrave

Coyhaique

Le systegraveme fournit de lrsquoeacutenergie agrave la capitale reacutegionale Coyhaique au sud du Chili

produisant une puissance maximale de 1375 MW A lrsquoautomne 2001 trois turbines

eacuteoliennes de 660 kW ont eacuteteacute installeacutees en compleacutement agrave la production diesel et

hydraulique deacutejagrave existante Il est preacutevu que le projet drsquoeacutenergie eacuteolienne agrave Alto Baguales

pourra fournir plus de 16 du besoin local en eacutenergie eacutelectrique et eacuteconomiser environ

600000 litres de gas-oil par an Les turbines sont commandeacutees agrave distance depuis le local

des geacuteneacuterateurs diesel et fonctionnent agrave un facteur de charge proche de 50 agrave cause des

vents forts sur le site


Jusquagrave preacutesent la peacuteneacutetration la plus haute enregistreacutee atteint 22 de la demande

totale A partir de lrsquoeacuteteacute 2003 il est preacutevu drsquoinstaller de la capaciteacute hydraulique

compleacutementaire pour que le systegraveme puisse fournir toute la charge avec la geacuteneacuteration

eacuteolienne et lrsquohydro-eacutelectriciteacute eacuteliminant complegravetement la production diesel

Cap Vert Les Trois Plus Grands Systegravemes de Puissance Nationaux

Lrsquoarchipel de la Reacutepublique de Cap Vert est constitueacute de 10 icircles principales agrave proximiteacute

de la cocircte occidentale de lrsquoAfrique Depuis les anneacutees 1990 trois systegravemes dieselndash

eacuteoliens fournissent de maniegravere tregraves satisfaisante de la puissance eacutelectrique pour les trois

communauteacutes principales de Cap Vert Sel Mindelo et Praia Trois turbines eacuteoliennes

de 300 kW dans chaque site sont connecteacutees au reacuteseau de distribution diesel existant

Les charges moyennes pour les communauteacutes varient de 115 MW pour le plus petit

Sel agrave 45 MW pour le plus grand situeacute agrave Praia la capitale nationale

Ces systegravemes de puissance fonctionnent agrave des taux mensuels de peacuteneacutetration eacuteoliens

drsquoenviron 25 selon le systegraveme et la saison Les peacuteneacutetrations annuelles montant

jusqursquoagrave 14 pour le Sel et Mindelo ont eacuteteacute obtenues Une peacuteneacutetration eacuteolienne

mensuelle maximale de 35 a eacuteteacute atteinte dans le Sel sans impact deacutefavorable sur le

systegraveme Lexpeacuterience acquise de ces trois sites eacuteoliens a eacuteteacute jugeacutee positivement et cela a

abouti au deacutemarrage drsquoune deuxiegraveme phase avec laquelle la peacuteneacutetration eacuteolienne des

trois systegravemes de puissance sera presque doubleacutee Ces extensions auront pour

conseacutequence drsquoaugmenter la peacuteneacutetration eacuteolienne agrave des niveaux de 30 (agrave Mindelo)

Une reacuteduction compleacutementaire de 25 de la consommation moyenne annuelle de gas-

oil est escompteacutee

Australie Station de Puissance Wind-Diesel agrave Denham

La centrale eacutelectrique diesel-eacuteolienne de Denham est placeacutee sur la cocircte occidentale de

lrsquoAustralie au nord de Perth la capitale reacutegionale Le systegraveme de puissance a une

demande maximale de 1200 kW qui peut ecirctre fournie par 690 kW eacuteoliens (trois

turbines de 230 kW) et quatre moteurs diesel drsquoune puissance totale de 1720 kW plus

un dernier moteur pour les cas de charge tregraves faible Lrsquoinstallation a un eacuteventail de

charge de +250kW et -100 kW Le systegraveme de puissance est commandeacute agrave partir drsquoun


centre de commande placeacute dans la centrale eacutelectrique et qui permet le fonctionnement

entiegraverement automatiseacute avec une surveillance technique minimale

Le systegraveme de commande permet la mise hors de fonctionnement des moteurs diesels

aboutissant alors agrave une peacuteneacutetration moyenne de 50 Le systegraveme de puissance

fonctionne depuis plus de trois ans alimentant le reacuteseau avec la qualiteacute adeacutequate et

permettant des eacuteconomies drsquoenviron 270000 litres de carburant par an

162 Systegravemes Eoliens Connecteacutes agrave des Grands Reacuteseaux

Plus de 95 de la capaciteacute mondiale drsquoeacutenergie eacuteolienne est raccordeacutee agrave des grands

reacuteseaux de puissance (Hau 2006) Ceci srsquoexplique par les nombreux avantages du

fonctionnement des centrales eacuteoliennes sur les reacuteseaux

a) La puissance des turbines eacuteoliennes ne doit pas ecirctre neacutecessairement

commandeacutee en fonction de la demande instantaneacutee drsquoun client speacutecifique

b) Le manque de puissance deacutelivreacutee par les eacuteoliennes est compenseacute par les

centrales conventionnelles

c) La freacutequence du reacuteseau est aussi maintenue par les autres centrales et elle peut

ecirctre utiliseacutee pour la commande de la vitesse des eacuteoliennes

Ainsi le fonctionnement des turbines eacuteoliennes connecteacutees aux reacuteseaux est

techniquement moins complexe que son application individuelle isoleacutee

1621 Systegravemes Distribueacutes

Lrsquoopeacuteration drsquoune ou quelques turbines eacuteoliennes par des clients priveacutes ou industriels

est le premier champ drsquoapplication des eacuteoliennes qui est arriveacute agrave un statut commercial

Premiegraverement au Danemark ougrave la leacutegislation les subventions pour la geacuteneacuteration agrave partir

de sources renouvelables ndash surtout eacuteolienne ndash et lrsquoexpeacuterience technique dans la

construction et le fonctionnement drsquoeacuteoliennes ont rendu ce deacuteveloppement possible agrave

partir de 1978 Degraves les anneacutees 90 le progregraves significatif des turbines eacuteoliennes en


Allemagne est aussi ducirc agrave des lois qui encouragent la production drsquoeacutenergie par des

moyens renouvelables (Hau 2006)

Lrsquoinstallation distribueacutee de turbines eacuteoliennes est faite presque exclusivement en

connexion au reacuteseau de puissance des entreprises eacutelectriques La consommation du

client est enregistreacutee par un compteur normal et la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est

injecteacutee au reacuteseau public et comptabiliseacutee agrave travers un autre compteur La facturation est

faite seacutepareacutement selon la consommation et la production drsquoeacutenergie

1622 Parcs Eoliens

Mecircme en prenant en compte les plus grandes turbines eacuteoliennes actuelles drsquoune

puissance nominale de quelques meacutegawatts la puissance deacutelivreacutee par une seule turbine

reste une quantiteacute petite par rapport agrave celle drsquoune centrale conventionnelle Drsquoautre part

dans la majoriteacute des pays les zones proposant des vitesses de vent techniquement

utilisables sont restreintes agrave quelques reacutegions seulement Ceci creacutee la neacutecessiteacute

drsquoassembler dans ces lieux autant drsquoeacuteoliennes que possible indeacutependamment de la

demande eacutenergeacutetique locale De cette faccedilon apparaissent les parcs ou fermes eacuteoliennes

qui consistent en une concentration de nombreuses eacuteoliennes en groupes spatialement

organiseacutes et interconnecteacutes Ce groupement offre de nombreux avantages techniques

De plus drsquoun point de vue eacuteconomique il est plus inteacuteressant en termes de coucirct

drsquoinstallation et de raccordement au reacuteseau car de longues lignes drsquointerconnexion au

reacuteseau sont justifieacutees uniquement pour un nombre relativement eacuteleveacute de turbines

eacuteoliennes

Entre les anneacutees 1982 et 1985 les premiers grands ensembles drsquoeacuteoliennes ont eacuteteacute

installeacutes en Californie avec de petites uniteacutes eacuteleacutementaires dont la puissance varie entre

20 et 100 kW En Allemagne lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacuteolienne srsquoest baseacutee degraves le

commencement sur lrsquoinstallation de grandes turbines eacuteoliennes en nombre important

Les parcs eacuteoliens de plusieurs meacutegawatts forment deacutejagrave une partie de la matrice

eacutenergeacutetique de nombreux pays (Hau 2006)


Parcs Marins (Off-Shore)

Il est preacutevu que durant la prochaine deacutecennie une part relative de 25 de la nouvelle

capaciteacute de production eacutelectrique sera drsquoorigine eacuteolienne (Chen and Blaabjerg 2006)

Cependant il srsquoavegravere deacutelicat de trouver des endroits pour installer des grandes fermes

eacuteoliennes dans les reacutegions deacuteveloppeacutees Le deacuteveloppement de systegravemes eacuteoliens sur la

mer (off-shore) eacutevite les conflits geacuteneacutereacutes agrave propos des emplacements en terre Cette

solution preacutesente aussi lrsquoavantage de compter avec des vents plus consistants et moins

turbulents ce qui engendre une production plus importante avec des efforts meacutecaniques

de pointe plus faibles dans les turbines Les progregraves de la technologie rendent cette

option de plus en plus inteacuteressante Les conditions actuelles neacutecessaires pour

lrsquoinstallation drsquoune ferme eacuteolienne sont selon Chen and Blaabjerg (2006)

a) Hauteur modeacutereacutee des vagues

b) Eaux peu profondes

c) Un vent moyen de quelques 7 ms

Le Danemark est pionnier dans le deacuteveloppement et lrsquoinstallation de ce type de

technologie construisant en 1991 la premiegravere ferme offshore agrave Vindeby Ce parc est

composeacute de 11 turbines eacuteoliennes de 450 kW chacune Les deux plus grands parcs

eacuteoliens aujourdrsquohui sont aussi danois celui de Horns Rev entreacute en fonctionnement en

2002 et celui de Nysted en 2003 Les capaciteacutes installeacutees sont de 160 MW agrave Horns Rev

(80 uniteacutes de 2 MW) et de 1625 MW agrave Nysted (72 uniteacutes de 25 MW) Ces niveaux

signifient approximativement quelques 600 MWh drsquoenergie par an produits par chaque

parc (Chen and Blaabjerg 2006)

Drsquoautres grands projets de ce type sont en deacuteveloppement LrsquoEurope espegravere arriver agrave

installer 10000 MW de cette faccedilon dans les 5 anneacutees agrave venir LrsquoAllemagne projette agrave

elle seule de construire 3500 MW drsquoici 2010 LrsquoIrlande a deacutejagrave donneacute le feu vert pour la

construction drsquoun parc de 520 MW avec 200 eacuteoliennes dans la mer irlandaise De leur

cocircteacute les Etats-Unis planifient lrsquoinstallation de leur premiegravere ferme off-shore de 420

MW et 130 uniteacutes sur une surface de 65 kmsup2 dans le Massachussetts de faccedilon de

produire 170 MW en moyenne ce qui implique une reacuteduction de 3 millions de barils de

peacutetrole en moins agrave importer (Chen and Blaabjerg 2006)


17 Tendances

En plus de lrsquoinstallation de grands parcs off-shore et la fabrication de machines encore

plus grandes des projets de recherche portant sur tous les diffeacuterents aspects de la

technologie eacuteolienne commencent agrave voir le jour Ceci donne de lrsquoespoir au

deacuteveloppement de nouvelles conceptions pour faire de cette filiegravere un outil de

production encore plus preacutesent et compeacutetitif sur le marcheacute eacutenergeacutetique

171 Systegraveme Meacutecanique

De nouvelles sortes drsquoengrenages comme les boites de vitesses planeacutetaires agrave plusieurs

eacutetages (multi-stage planetary gearbox) et agrave eacutetages heacutelicoiumldaux (helical stages) sont en

deacuteveloppement Avec ces progregraves les systegravemes devraient ameacuteliorer leurs rendements et

la puissance meacutecanique reacutecupeacutereacutee Des valeurs de couple et de vitesse de rotation

supeacuterieures sont synonymes drsquoune meilleure conversion eacutelectromeacutecanique dans les

geacuteneacuterateurs fonctionnant agrave haute vitesse

La conception et la fabrication des pales pour inclure des mateacuteriaux leacutegers comme la

fibre de carbone et des composites hybrides de carboneverre sont aussi lrsquoobjet de

programmes de recherche Bien qursquoeacutetant plus coucircteuse que la fibre de verre utiliseacutee

couramment la fibre de carbone est beaucoup plus reacutesistante et plus leacutegegravere

Les tours drsquoacier ou de ciment pour les turbines de plusieurs MW sont deacutejagrave courantes et

permettent lrsquoemploi de nouvelles meacutethodes de production de ces macircts pour eacuteoliennes de

faccedilon agrave reacuteduire les coucircts de fabrication et de transport


172 Systegraveme Electrique

De nouveaux geacuteneacuterateurs en configurations multipolaires machines agrave haute tension agrave

reacuteluctance commuteacutee agrave flux axial et transversal sont en deacuteveloppement pour reacuteduire la

masse et ameacuteliorer le rendement du geacuteneacuterateur

Pour reacuteduire les coucircts et augmenter le rendement des systegravemes eacuteoliens de nouvelles

ameacuteliorations de la conversion drsquoeacutenergie employant des composants eacutelectroniques de

puissance sont en cours Dans ce contexte de nouveaux dispositifs eacutelectroniques de

puissance sont agrave lrsquoen eacutetude pour remplacer le silicium par du carbure de silicium (silicon

carbide) Ce dernier a lrsquoavantage de travailler agrave haute tension et de supporter des

tempeacuteratures eacuteleveacutees Cette technologie permettrait de reacuteduire la taille des

convertisseurs de puissance et de les faire plus compeacutetitifs Lrsquoutilisation de composants

de moyenne tension pour diminuer le coucirct des systegravemes de conversion des grandes

turbines eacuteoliennes Actuellement diverses topologies de convertisseurs statiques de

plusieurs meacutegawatts sont aussi en deacuteveloppement pour fournir une conversion de

puissance eacuteconomiquement efficiente avec une haute fiabiliteacute et une qualiteacute eacuteleveacutee

173 Inteacutegration de lrsquoEnergie Eolienne et Nouvelles Applications

Des aspects comme la preacutevision de la vitesse du vent et en conseacutequence lrsquoestimation de

la quantiteacute de puissance apporteacutee par les fermes eacuteoliennes permettra de faire une

preacutediction plus juste de la valeur de lrsquoeacutelectriciteacute produite Ceci aidera agrave la planification

agrave la programmation et agrave la coordination entre la geacuteneacuteration et la demande du systegraveme et

aura ainsi des effets beacuteneacutefiques sur des contrats de fourniture drsquoeacutenergie Des actions au

niveau de lrsquoameacutelioration des preacutecisions des modegraveles peuvent assurer le succegraves de ces

progregraves pour obtenir le maximum de profit agrave risque minimal

La croissance rapide de la peacuteneacutetration eacuteolienne dans les reacuteseaux de puissance preacutesente

aussi un nouveau deacutefi pour les opeacuterateurs des grands systegravemes eacutelectriques La

production des parcs eacuteoliens varie en permanence avec le temps mais le reacuteseau doit

maintenir un eacutequilibre constant entre la production et la demande De nombreuses


eacutetudes sont meneacutees pour connaicirctre les effets de cette eacutenergie stochastique sur la

reacutegulation et la stabiliteacute des reacuteseaux Le but est alors drsquoinformer les opeacuterateurs et les

planificateurs des reacuteseaux pour leur faire connaicirctre le reacuteel impact associeacute agrave cette

augmentation de la preacutesence de lrsquoeacutenergie eacuteolienne

Pour fournir de lrsquoeacutenergie agrave coucirct marginal faible et stabiliser le fonctionnement dans un

reacuteseau avec de la production eacuteolienne un moyen est de combiner cette production avec

de lrsquoeacutenergie hydraulique Dans ce cas drsquoimportantes recherches concernant la

geacuteneacuteration le transport et lrsquoeacuteconomie de ces systegravemes associeacutes sont en cours

En plus des applications en chauffage et pompage deacutejagrave en utilisation lrsquoexploration de

nouveaux marcheacutes comme les systegravemes de deacutesalinisation la production drsquohydrogegravene

etc permettra drsquoouvrir de nouvelles opportuniteacutes drsquousage de lrsquoeacutenergie propre agrave coucirct

faible dans plusieurs secteurs des systegravemes hydrauliques jusqursquoaux transports

18 Conclusion

Dans ce chapitre un bilan des principales formes drsquoeacutenergies disponibles dans le monde

a eacuteteacute preacutesenteacute La relation entre lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie et les problegravemes

environnementaux induits a aussi eacuteteacute exposeacutee Lrsquoeacutevolution de lrsquoindustrie eacutelectrique vers

un marcheacute concurrentiel ouvert et ses conseacutequences potentielles ont eacuteteacute abordeacutees

briegravevement Les caracteacuteristiques eacuteconomiques et environnementales des formes

drsquoeacutenergie renouvelable les plus utiliseacutees agrave preacutesent et la technologie eacuteolienne actuelle ont

eacuteteacute eacutegalement montreacutees Les diffeacuterents types de geacuteneacuterateurs eacutelectriques utiliseacutes dans les

turbines eacuteoliennes et les principales applications des eacuteoliennes avec un segment

speacutecialement consacreacute aux systegravemes isoleacutes ont aussi eacuteteacute preacutesenteacutes Lrsquoimportance de

lrsquoemploi drsquoune boite de vitesses et des systegravemes de stockage dans les systegravemes de

geacuteneacuteration eacuteoliens a eacuteteacute deacutemontreacutee Finalement les derniegraveres tendances et perspectives

de deacuteveloppement de lrsquoeacuteolien ont eacuteteacute eacutegalement preacutesenteacutees

2 Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien

Nomenclature

Pt Puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne (W)

A Surface de balayage des pales de lrsquoeacuteolienne (msup2)

R Radius des pales de la turbine eacuteolienne (m)

Cp Coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne (ndash)

λ Rapport de vitesses (Tip-Speed Ratio TSR) (ndash)

Ω Vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne (trmn)

v Vitesse du vent [ms]

M Rapport de transmission de la boite de vitesses (ndash)

Pm Puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur (W)

e Force eacutelectromotrice du geacuteneacuterateur (V)

us Tension aux bornes du geacuteneacuterateur (V)

is Courant alternatif de stator du geacuteneacuterateur (A)

ΩG Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur (trmn)

ω Pulsation (freacutequence) eacutelectrique du geacuteneacuterateur (rads)

ψr Flux induit pars les aimants du geacuteneacuterateur (Wb)

p Nombre de paires de pocircles du geacuteneacuterateur (ndash)

Zs Impeacutedance du geacuteneacuterateur (Ω)

Rs Reacutesistance du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (Ω)

Ls Inductance de fuite du bobinage de stator du geacuteneacuterateur (H)

G Coefficient de Gain de la fonction du Cp (ndash)

λ0 λ maximal de la fonction du Cp (ndash)

a Coefficient de la fonction du Cp (ndash)


21 Introduction

Lrsquoeacutenergie eacuteolienne est aujourdrsquohui la source renouvelable non conventionnelle la plus

compeacutetitive et qui a le taux de croissance le plus eacuteleveacute (World Energy Council 2004)

(Mathew 2006) Elle repreacutesente deacutejagrave une des formes drsquoeacutenergie renouvelable les plus

importantes pour la production drsquoeacutenergie eacutelectrique (WEC 2004) La quantiteacute

drsquoeacutelectriciteacute produite dans le monde soit par les grandes fermes eacuteoliennes soit par des

petits systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne est en croissance constante

Lrsquoapplication la plus courante des petits systegravemes eacuteoliens individuels est de les installer

dans des endroits isoleacutes ou dans des lieux ougrave le reacuteseau public drsquoeacutelectriciteacute nrsquoarrive pas

(Mathew 2006 Hau 2006) du fait drsquoune extension du reacuteseau trop chegravere et pour

lesquels lrsquoameacutenagement de systegravemes diesel nrsquoest pas justifieacute au niveau eacuteconomique

etou environnemental

Dans ce chapitre un systegraveme sans commande eacutelectronique est preacutesenteacute et optimiseacute pour

fournir la plus grande quantiteacute de puissance possible Ceci permet drsquoobtenir un systegraveme

performant avec tregraves peu de composants ce qui est un autre avantage pour les

emplacements eacuteloigneacutes

22 Systegraveme de Geacuteneacuteration Eolien Sans Electronique de

Commande

Lors de lrsquoutilisation de systegravemes de geacuteneacuteration eacuteoliens la simpliciteacute du systegraveme de

production permet de diminuer les coucircts de maintenance et drsquoaugmenter la fiabiliteacute Le

systegraveme eacutetudieacute ici est composeacute drsquoune petite turbine eacuteolienne agrave axe horizontal drsquoune

boite drsquoengrenages agrave un eacutetage drsquoun geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents drsquoun

pont de diodes et drsquoun groupe de batteries

Chapitre 2 ndash Optimisation drsquoun Systegraveme de Conversion Eolien 51

Geacuteneacuteralement les structures fonctionnant agrave vitesse variable et commandeacutees

eacutelectroniquement permettent de maximiser la quantiteacute drsquoeacutenergie produite par les

systegravemes de conversion drsquoeacutenergie eacuteolienne (WECS de Wind Energy Conversion

System) (DeBroe et al 1999) (Borowy et Salameh 1997) Ces systegravemes sont

complexes chers et ont besoin drsquoeacutetages de conversion eacutelectrique compleacutementaires

associeacutes agrave des structures de commande particuliegraverement adapteacutees

Dans cette partie la conception drsquoun systegraveme simple de conversion eacuteolien baseacute sur

lrsquoutilisation drsquoun nombre minimum de composants est optimiseacutee Ce systegraveme sera

utiliseacute pour des applications individuelles A partir du modegravele du systegraveme les eacutequations

de la puissance meacutecanique et de la puissance eacutelectrique du geacuteneacuterateur sont obtenues

Ces expressions sont deacutependantes des diffeacuterents paramegravetres et variables du systegraveme de

geacuteneacuteration La puissance eacutelectrique deacutelivreacutee agrave la charge est deacutependante de la vitesse de

rotation du systegraveme en reacutegime permanent Dans ce systegraveme agrave tension continue fixe la

vitesse de rotation pour chaque vitesse de vent deacutepend de quelques paramegravetres de

conception du systegraveme comme le rapport de transformation de la boite drsquoengrenages et

la tension aux bornes de la batterie Lrsquoobjectif est ici de maximiser la puissance obtenue

agrave partir du systegraveme proposeacute Le problegraveme est reacutesolu en cherchant la combinaison

optimale du rapport de la boite et la tension de batterie

Le modegravele statique du systegraveme est deacutecrit dans une premiegravere partie Le problegraveme

drsquooptimisation est ensuite preacutesenteacute et la meacutethode de reacutesolution exposeacutee Les reacutesultats

sont reacutesumeacutes et discuteacutes agrave la fin de cette section

221 Modegravele du Systegraveme

Le systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacute agrave la figure 21 Il est composeacute drsquoune turbine eacuteolienne agrave

axe horizontal tripale qui prend lrsquoeacutenergie de la masse drsquoair en mouvement drsquoune boite

de vitesses eacuteleacutevatrice qui adapte les vitesses de rotation de lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur

drsquoune machine synchrone agrave aimants permanents pour la conversion eacutelectromeacutecanique

drsquoun pont agrave diodes qui fait la conversion eacutelectrique ACDC et drsquoun groupe de batteries

pour le stockage drsquoeacutenergie La charge est supposeacutee consommer toute lrsquoeacutenergie produite


G

v

M

HAWT Gearbox PMSM Diode

bridge

DC bus

Battery

bank

Figure 21 Systegraveme eacuteolien individuel avec stockage drsquoeacutenergie


La puissance meacutecanique Pt qursquoune turbine eacuteolienne peut extraire drsquoune masse drsquoair

traversant la surface balayeacutee par son rotor est

3)(2

1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ (21)

ρ est la densiteacute de lrsquoair (Kgm3) A est la surface balayeacutee par de rotor de lrsquoeacuteolienne (msup2)

v est la vitesse du vent et Cp est le coefficient de puissance de la turbine Ce dernier

deacutepend du rapport de vitesses λ (ou TSR tip speed ratio) (Mathew 2006 Hau 2006)

et il est caracteacuteriseacute par les proprieacuteteacutes de la turbine eacuteolienne (axe horizontal ou vertical

nombre et forme des pales etc)

TSR v

RΩ== λ (22)

La caracteacuteristique non lineacuteaire du coefficient de puissance Cp peut srsquoapproximer soit par

une fonction polynomiale (Borowy et Salameh 1997) soit par une fonction rationnelle

(Kariniotakis et Stravrakakis 1995) La forme rationnelle proposeacutee dans lrsquoeacutequation

(23) a lrsquoavantage de montrer de faccedilon explicite des informations telles que le TSR

maximal pour un Cp positif λ0 et la valeur approximative du TSR optimal pour Cp

maximal λ asymp (λ0ndasha) Une simple reacutegression de moindres carreacutes peut srsquoutiliser pour

ajuster les coefficients G et a (Voir annexe C)


2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ

minus+minussdotasymp

a

GC p

(23)

Pour adapter la vitesse de rotation relativement lente de la turbine eacuteolienne agrave celle du

geacuteneacuterateur une boite drsquoengrenage (boite de vitesses) peut srsquoutiliser Pour des raisons de

simpliciteacute lrsquoeacutequation (24) est utiliseacutee comme modegravele de ce systegraveme de transmission

meacutecanique dans laquelle M repreacutesente le rapport de transformation (ou transmission) de

la boite Ω est la vitesse de rotation de lrsquoarbre lent de la turbine eacuteolienne et ΩG celle de

la machine eacutelectrique (arbre rapide)

Ωsdot=Ω MG (24)

La vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur et la vitesse du champ eacutelectromagneacutetique

ω (freacutequence ou pulsation eacutelectrique) sont lieacutees par une relation faisant intervenir le

nombre de paires de pocircles de la machine p (ω = pmiddotΩG) La puissance meacutecanique de

lrsquoeacuteolienne peut alors srsquoexprimer en fonction du rapport de transmission M de la

pulsation eacutelectrique ω et de la vitesse du vent v

( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)

Si on souhaite faire intervenir la vitesse de rotation de la turbine Ω (25) permet aussi

drsquoeacutecrire la relation suivante

( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot

Ωminus+ΩminusΩsdot=

λλρ

(26)



Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents

Le geacuteneacuterateur est une machine synchrone agrave aimants permanents qui est modeacuteliseacutee

simplement par une source de tension avec une impeacutedance en seacuterie Le circuit

eacutequivalent et le diagramme de Behn-Eschenburg sont montreacutes agrave la figure 22 Les

composantes fondamentales pour la tension us et le courant is sont supposeacutees en phase

car la charge est un simple redresseur agrave diodes (figure 23)

e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash

Figure 22 Scheacutema eacutequivalent du geacuteneacuterateur synchrone et diagramme de Behn-

Eschenburg associeacute

Les relations deacutecoulant de ce modegravele simplifieacute de la machine sont les suivantes

ωψ sdot= re rArr ωψωψsdot=

sdot== r

reE

2

2

22

ω = p ΩG ΩG = M Ω

rArrrArrrArrrArr Ωsdotsdotsdotsdot= rMpE ψ2

2 (27)

E valeur efficace de la composante fondamentale de tension induite par

les aimants dans le bobinage du stator de la machine (fem)

ψ r flux crecircte reccedilu par une bobine du stator venant des aimants


ω vitesse de rotation du champ magneacutetique (pulsation eacutelectrique

ω = 2π f)

p nombre de paires de pocircles de la machine

ΩG vitesse de rotation de lrsquoarbre du geacuteneacuterateur (ω = p ΩG)

Ω vitesse de rotation de lrsquoarbre de la turbine (ΩG = M Ω)

M rapport de la boite de vitesses (multiplicatrice ou eacuteleacutevatrice)

+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c

Figure 23 Scheacutema eacutequivalent de la machine connecteacute au redresseur et agrave la batterie

Redresseur triphaseacute agrave diodes

La relation entre les tensions des coteacutes AC et DC du circuit eacutelectrique de puissance peut

se mettre sous la forme

DCacS UGu sdot= (28)

us est la valeur crecircte de la tension fondamentale phase-neutre agrave lrsquoentreacutee du redresseur

(aux bornes de la machine)

UDC est la tension batterie (Ubatt)

Le coefficient Gac correspond donc au rapport entre ces deux grandeurs

En raison du comportement inductif de la machine il est supposeacute que le courant

alternatif preacutesente une forme sinusoiumldale on peut alors montrer que la forme drsquoonde de


la tension aux bornes de la machine est constitueacutee en paliers La figure suivante montre

les formes drsquoonde du courant de la phase a indique les diodes en conduction pour

chaque phase et reconstruit la forme de la tension phase neutre

1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic

Figure 24 Allure du courant dans la phase a diodes en conduction tensions entre

phases uab et ubc tension phase-neutre uSa et sa composante fondamentale (U = UDC =

Ubatt)

Pendant la demi-peacuteriode positive du courant alternatif dans la phase a la diode 1 du

redresseur (figure 23) entre en conduction durant la demi-peacuteriode neacutegative la diode 4

conduit le courant Ainsi selon lrsquoeacutetat de conduction des diodes du redresseur la tension

de la batterie U se retrouve en tant que tension entre lignes du coteacute AC du systegraveme

(formes drsquoonde uab et ubc de la figure 24) En supposant que le systegraveme est eacutequilibreacute

comme dans le cas eacutetudieacute ici et connaissant les tensions de ligne uab et ubc les tensions

entre simples sont obtenues par


sdot

minusminusminussdot=

0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)

Connaissant lrsquoallure de la tension ua une analyse des composantes de Fourier permet de

connaicirctre la valeur du gain de tension anteacuterieurement deacutefini en (28)

π2=acG (210)

Pour connaicirctre maintenant le courant continu IDC on sait que le redresseur agrave diodes a

des courants pratiquement en phase avec les tensions drsquoentreacutee (facteur de deacuteplacement

cos(φ) quasiment unitaire) Donc agrave partir drsquoune relation eacutenergeacutetique et en neacutegligeant les

pertes dans les diodes on peut obtenir une expression de la valeur du courant de charge

de la batterie en fonction de la valeur crecircte du courant de la machine avec is

sacDC iGI sdotsdot=2

3 (211)

Interaction Machine agrave Aimants Permanents ndash Redresseur agrave diodes

Une fois connues les tensions e et us il reste agrave connaicirctre la valeur du courant de ligne

Pour cela le diagramme de Behn-Eschenburg du modegravele simplifieacute de la machine (figure

22) permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation vectorielle (212)

sss iZue sdot+= (212)

Une faccedilon de reacutesoudre cette eacutequation est de la deacutecomposer (projection des vecteurs sur

les axes) Ainsi le systegraveme drsquoeacutequations suivant est obtenu

sdotminusminussdotminus

=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)


Gracircce agrave quelques opeacuterations algeacutebriques sur le systegraveme preacuteceacutedent il est possible

drsquoaboutir agrave une seule expression drsquoune seule variable le courant de la machine is Srsquoil

srsquoagit drsquoun polynocircme de second degreacute ce polynocircme et ses solutions sont

( ) ( ) ( )22222 2 euiuRiXR SSSSSLS minus+sdotsdotsdot+sdot+

( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi

+minussdot++sdotplusmnsdotminus

=

Avec la convention imposeacutee la valeur de la solution qui nous inteacuteresse correspond agrave

celle qui est positive

( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR

i sdotminusminussdot++sdotsdot+

= 222222

22

1 (214)

Cette expression nrsquoest valable qursquoagrave partir du moment ougrave les valeurs de la force

eacutelectromotrice e deviennent supeacuterieures agrave la tension du reacuteseau alternatif us

La valeur de la puissance deacutelivreacutee par la machine peut alors srsquoexprimer en fonction des

valeurs efficaces ou des valeurs maximales

Ωsdot=Ω MG SSSSm iuIUP sdot=sdotsdot=2

33 (215)

Le remplacement de lrsquoexpression du courant (214) permet drsquoeacutecrire pour la puissance

( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR

uP sdotminusminussdot+sdotsdot

+sdot= 22222

222

3 (216)

Dans cette eacutequation il y a deux grandeurs qui sont deacutependantes de la freacutequence la

tension induite e et la reacuteactance de la machine XL Alors en les remplaccedilant par leurs

expressions dans le domaine freacutequentiel agrave reacutegime sinusoiumldal XL = ωLS et e = ω ψr on


obtient une expression de la puissance de la machine deacutefinie par les paramegravetres RS et LS

et par la tension de batterie us qui est une grandeur fixe dans ce cas La seule variable

dans lrsquoeacutequation est la freacutequence ou pulsation eacutelectrique ω

( )

sdotminusminussdot+sdotsdot

+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)

Cette expression peut srsquoeacutecrire aussi de la maniegravere suivante en fonction de la vitesse de

rotation de lrsquoeacuteolienne au lieu de celle du geacuteneacuterateur en tenant compte du nombre de

paires de pocircles de la machine et du multiplicateur de vitesse du systegraveme (218)

( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u

mP minusminusΩsdot+sdotΩsdot

Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)

2213 Paramegravetres du Systegraveme

Les caracteacuteristiques meacutecaniques de la turbine eacuteolienne les paramegravetres de la fonction

drsquoapproximation du coefficient de puissance et les valeurs nominales et les paramegravetres

caracteacuteristiques du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents sont reacutesumeacutes dans les tableaux 21

22 et 23 respectivement

Tableau 21 Paramegravetres de la turbine eacuteolienne

Paramegravetre Valeur

Rayon (R) 18 m

Surface de balayage (A) 1018 msup2

Coefficient de puissance maximal (CpMax) 042

TSR optimal (λ lowast) 68

Vitesse du vent nominale (vN) 12 ms

Vitesse de rotation nominale (ΩN) 700 trmn

Tableau 22 Coefficients de la fonction drsquoapproximation du Cp


Gain (G) 019

Facteur (a) 156

TSR maximal (λ0) 808


Tableau 23 Geacuteneacuterateur agrave aimants permanents


Couple nominal (TN) 8 Nm

Vitesse de rotation nominale (ΩN) 2000 trmn (210 rads)

Puissance nominale(PN) 1680 W (225 HP)

Tension nominale (vN) 110 V(AC)

Reacutesistance du bobinage de stator (RS) 09585 Ω

Inductance de bobinage de stator (LS) 525 mH

Flux induit par les aimants (Ψr) 01827 Wb Nombre de pairs de poles (p) 4

0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms

Figure 25 Puissance de sortie de la turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de

rotation paramegravetre vitesse du vent v = 1 ms jusqursquoagrave 13 ms avec un pas de 2 ms

Dans la figure 25 la puissance de la turbine eacuteolienne (HAWT) du systegraveme proposeacute est

traceacutee pour plusieurs valeurs de la vitesse du vent La ligne pointilleacutee montre la limite

(valeur nominale) de la puissance que la turbine peut fournir

On peut observer que pour 9 ms la valeur maximale atteint la valeur nominale donc

pour les vitesses de vent plus eacuteleveacutees (11 et 13 ms sur la figure) une reacutegulation doit

ecirctre mise en place pour eacuteviter drsquoendommager lrsquoeacuteolienne Comme on lrsquoeacutetudiera plus loin

dans ce rapport (Chapitre 3 commande) ceci peut se faire par des moyens meacutecaniques

ou eacutelectriques


La figure suivante montre comment la puissance eacutevolue en fonction de la vitesse de

rotation de la machine avec plusieurs valeurs pour la tension de la batterie et une valeur

de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

Figure 26 Puissance de sortie de la machine en fonction de sa vitesse de rotation

paramegravetre ucircs = 12 V jusqursquoagrave 60 V avec un pas de 12 V (M = 2)

On peut observer sur la figure 26 qursquoavec des tensions de batterie faibles la machine

peut commencer agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de rotation basse Cependant

avec une tension de batterie reacuteduite la valeur maximale de puissance produite par le

systegraveme est aussi plus faible

Ceci est inteacuteressant pour le systegraveme eacuteolien car la plage drsquoopeacuteration de vitesses eacutelargie

permet de fournir de la puissance pendant plus de temps agrave des vitesses de vent qui sont

plus probables statistiquement (vents faibles) Lrsquoinconveacutenient est que pour les valeurs

donneacutees de la vitesse sur la plage de fonctionnement agrave tension reacuteduite la puissance

transmise sera aussi infeacuterieure Il se pose donc un problegraveme de comment choisir

correctement la tension de batterie qui permettra de mieux utiliser le systegraveme


La figure 27 montre lrsquoeacutevolution de la puissance de la machine en fonction de la vitesse

de rotation pour plusieurs valeurs du rapport de transformation de la boite de vitesses M

avec une tension de batterie fixe

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275


paramegravetre M = 175 jusqursquoagrave 275 avec un pas de 025 V (ucircs = 36 V)

On peut voir agrave partir de la figure 27 que lrsquoeffet plus important relieacute agrave M est qursquoavec un

rapport plus eacuteleveacute la machine commence agrave fournir de la puissance agrave une vitesse de

rotation infeacuterieure Ceci est inteacuteressant pour profiter drsquoune vitesse de vent de deacutemarrage

plus faible pour eacutelargir la plage de vitesses de vents du systegraveme Cependant en mecircme

temps la vitesse agrave laquelle le systegraveme deacutecroche agrave cause de la surcharge (P gt Pnom) est

aussi plus faible ce qui diminue la plage de vitesses du cocircteacute des valeurs supeacuterieures En

conseacutequence il est important de bien choisir la valeur de M de faccedilon agrave maximiser la

plage de vitesses du systegraveme il doit ecirctre assez eacuteleveacute pour faire deacutemarrer le systegraveme agrave

des vitesses faibles mais assez reacuteduit pour permettre au geacuteneacuterateur drsquoatteindre les

vitesses supeacuterieures

Dans la suite un problegraveme drsquooptimisation du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien preacutesenteacute est

deacutefini pour maximiser la puissance produite du systegraveme en cherchant les valeurs


optimales du rapport de transformation de la boite de vitesses et de la tension de

batterie

23 Problegraveme drsquoOptimisation

Les eacutequations (26) et (218) de la puissance en reacutegime permanent du systegraveme sont ici

les expressions analytiques qui permettent la formulation de lrsquoobjectif principal du

problegraveme drsquooptimisation Le point de fonctionnement permanent du systegraveme se trouve agrave

lrsquointersection des deux courbes repreacutesentant ces deux puissances en fonction de la

freacutequence de fonctionnement et pour diffeacuterentes valeurs de la vitesse du vent En

supposant que les pertes sont neacutegligeables la puissance deacutelivreacutee par le systegraveme de

geacuteneacuteration eacuteolien est connue en calculant ces points drsquoeacutequilibre

Les coordonneacutees des points drsquointersection deacutependent de la valeur du rapport de

transformation de la boite de vitesses M et de la tension de batterie UDC (us prop UDC)

Ainsi pour une vitesse de vent donneacutee la puissance produite par le systegraveme est aussi

deacutefinie par ces deux paramegravetres qui vont intervenir dans le problegraveme drsquooptimisation

Le problegraveme drsquooptimisation peut alors ecirctre poseacute de la maniegravere suivante Il consiste agrave

trouver le jeu de paramegravetres permettant au systegraveme eacuteolien de maximiser la puissance

produite sur la plage de vitesse du vent

tuM

Ps ][

max

Pour respecter les conditions de fonctionnement nominales et les proprieacuteteacutes physiques

du systegraveme un certain nombre de contraintes sont formaliseacutees et viennent conditionner

la recherche de cet objectif


231 Contraintes

Les boites drsquoengrenages parallegraveles agrave un eacutetage ont des rapports de transformation

maximaux de 15 (Hau 2006) ou 16 (Mathew 2006) Les boites eacutepicycloiumldales de

taille eacutequivalente ont des rapports allant jusqursquoagrave 112 mais elles sont plus coucircteuses

Pour les structures de geacuteneacuteration eacuteolienne de petites tailles la solution parallegravele est

couramment preacutefeacutereacutee et les rapports de transmission eacuteleveacutes sont obtenus en associant

plusieurs eacutetages Ce rapport doit respecter une contrainte imposeacutee par les valeurs

nominales des vitesses de rotation de la turbine et du geacuteneacuterateur ΩGenN et ΩN

Un systegraveme de faible taille utilise une eacuteolienne qui tourne relativement vite la vitesse

maximale drsquoun geacuteneacuterateur eacutelectrique de faible puissance est de 3600 tm Le rapport

entre la vitesse du geacuteneacuterateur et celle de la turbine ΩGenN ΩN risque donc drsquoecirctre plus

faible que le rapport maximal envisageable Cette valeur devient une borne supeacuterieure

pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)

Les valeurs nominales du geacuteneacuterateur imposent les limites de tension et de courant Il est

supposeacute que ces restrictions sont suffisantes pour maintenir la puissance geacuteneacutereacutee en-

dessous la puissance nominale et que la turbine eacuteolienne peut deacutelivrer toute la puissance

meacutecanique pour les vitesses de vent faibles et modeacutereacutees (v lt vN) Au-delagrave de cette

vitesse de vent le deacutecrochage aeacuterodynamique de lrsquoeacuteolienne reacutegule la puissance

meacutecanique sans besoin de commande compleacutementaire Quand le vent atteint la vitesse

maximale (vcut-off) la petite eacuteolienne srsquoauto protegravege des vents destructeurs en sortant de

la direction du vent (furling)

Lrsquoeacutequation qui modeacutelise la puissance du geacuteneacuterateur nrsquoest valide qursquoagrave partir du moment

ougrave la tension induite est supeacuterieure agrave la tension seuil imposeacutee par la tension de la

batterie pour que les diodes du pont soient passantes Cette condition impose une vitesse

de rotation minimale pour que le geacuteneacuterateur commence agrave fournir de la puissance agrave la


charge (220) La tension de batterie oblige indirectement agrave une vitesse de vent

minimale (vcut-in) (221)

r

S

Sr

uue

ψωωψ =rArrasympsdot= minminmin (220)

incutincut vMp

R

v

R

minusminus sdotsdot=Ω= minmin

0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)

Les valeurs maximales de la vitesse de rotation de la machine et de la vitesse du vent

sont imposeacutees par les limites technologiques de la machine et de la turbine eacuteolienne

En conseacutequence la formalisation du problegraveme drsquooptimisation proposeacute est la suivante

trouver les paramegravetres M et ucircs tels que

tuM

Ps ][

max

avec les contraintes

Pt (M ω v) = Pm (ucircS ω)

M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot

sdotΨsdot minusoffcut

s

r

vM

u

p

R

0λ


232 Reacutesultats de lrsquoOptimisation

La recherche analytique de la solution du problegraveme ainsi deacutefini pose neacuteanmoins

quelques difficulteacutes

1) La reacuteduction agrave une seule eacutequation nrsquoest pas possible

Lrsquoexploitation de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute des puissances ne permet pas drsquoextraire la

seule variable indeacutependante qursquoelles ont en commun la freacutequence de

fonctionnement (ω) De ce fait il nrsquoest pas possible drsquoobtenir une expression de

la puissance agrave maximiser agrave partir des seuls paramegravetres drsquooptimisation

2) La parameacutetrisation avec la seule variable indeacutependante non controcirclable (v) ne

megravene pas agrave une solution unique

Pour une valeur de la vitesse de vent donneacutee il y a une vitesse de la turbine qui

correspond agrave une production maximale de puissance eacuteolienne cette vitesse est

noteacutee Ω Pour chaque valeur du rapport de transformation de vitesse M il y

correspondra une freacutequence de fonctionnement du geacuteneacuterateur eacutelectrique noteacutee

ω donneacutee par (222)

( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

Lrsquoexpression de la puissance produite par le geacuteneacuterateur montre que pour une

valeur donneacutee de cette puissance il existe une valeur de tension batterie associeacutee

agrave chaque freacutequence de fonctionnement Pour chaque valeur du rapport de

transformation de vitesse il y a donc une valeur pour la tension de batterie qui

megravene agrave une production de puissance eacutelectrique identique

Il y a donc un nombre infini de paires (M ucircs) qui correspondent agrave la mecircme

puissance maximale pour chaque valeur de la vitesse de vent

En conseacutequence lrsquoutilisation drsquoun outil drsquooptimisation dont lrsquousage est rendu deacutelicat agrave

cause de la contrainte sur la vitesse de vent dont les bornes sont parameacutetreacutees donne agrave

chaque fois une nouvelle paire (M ucircs) pour la puissance maximale


Pour une recherche meacutethodique des solutions sur lrsquoespace de variation des paramegravetres il

est possible de figer lrsquoun drsquoeux et de faire varier reacuteguliegraverement le second Soit le rapport

de transformation de la boite drsquoengrenages soit la tension de batterie peuvent varier

reacuteguliegraverement Comme les batteries sont modulaires et peuvent ecirctre facilement associeacutees

pour un fonctionnement eacutelectrique en seacuterie etou en parallegravele crsquoest la tension de batterie

qui est choisie Avec cette meacutethode un ensemble de problegravemes drsquooptimisation mono-

variable sont reacutesolus pour chaque valeur de tension ucircs et de vitesse de vent v

Avec la freacutequence eacutelectrique ω et la vitesse du vent v pour variables indeacutependantes et

pour paramegravetres le rapport de transformation de la boite de vitesses M et la tension de

batterie rameneacutee du coteacute AC du redresseur ucircS les diffeacuterentes eacutetapes de la proceacutedure

drsquooptimisation sont les suivantes

1) Recherche de la puissance meacutecanique maximale

Pour une valeur de vitesse de vent donneacutee les valeurs optimales de Pt et Ω

se

trouvent avec une routine de MATHEMATICAcopy

2) Parameacutetrisation de la tension de batterie

Pour chacune des valeurs de v seacutelectionneacutees en 1) un ensemble de tensions

alternatives ucircS est aussi choisi

3) Deacutetermination de la freacutequence ω

De lrsquoeacutegaliteacute Pm = Pt la valeur correspondante agrave la freacutequence eacutelectrique optimale

ω pour chaque ucircS est trouveacutee agrave partir de la reacutesolution analytique de lrsquoeacutequation

de puissance eacutelectrique

4) Calcul du rapport de transformation de la boite drsquoengrenages

Utilisant les valeurs optimales ω et Ω

le rapport de transformation de la boite

de vitesse M est calculeacute avec (22)

Les points 2 3 et 4 de la proceacutedure sont reacutepeacuteteacutes pour toutes les valeurs de vitesse de

vent choisies

Les reacutesultats de lrsquooptimisation sont reacutesumeacutes dans le tableau 24


La figure 28 montre les courbes de la puissance maximale et la vitesse de rotation

correspondante en fonction de la vitesse de vent choisie

Tableau 24 Optimisation de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne pour les

valeurs de vitesse de vent seacutelectionneacutees

v [ms] Ω Ω Ω Ω [rads] Pt [W]

3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]

Figure 28 Puissance maximale et valeur correspondante de la vitesse du rotor pour le

systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien vs la vitesse de vent

Pour les vitesses de vent supeacuterieures agrave 9 ms la turbine eacuteolienne deacutelivre une puissance

supeacuterieure agrave la puissance nominale du geacuteneacuterateur la recherche du point optimal est

donc restreinte aux valeurs infeacuterieures agrave cette valeur de vitesse du vent

Lrsquoeacutevolution de la puissance eacuteolienne optimale selon la vitesse du vent suit une relation

cubique (figure 28 ligne bleue) Ceci vient du fait que lrsquooptimisation trouve la valeur

maximale du coefficient de puissance On peut observer aussi que la relation entre la

vitesse du vent et la vitesse de rotation optimale est lineacuteaire (figure 23 ligne en tirets

magenta) Lrsquoobtention de la puissance maximale est associeacutee agrave lrsquoobtention du CP


maximal qui se produit pour le rapport de vitesses optimal λ De ce fait la vitesse de

rotation varie lineacuteairement avec la vitesse du vent (223)

vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)

Lrsquoeacutetape suivante consiste agrave obtenir les valeurs optimales de la freacutequence (pulsation

eacutelectrique) en cherchant les racines de lrsquoeacutequation drsquoeacutegaliteacute entre Pm et Pt pour des

valeurs seacutelectionneacutees de la tension de batterie Ces valeurs sont indiqueacutees dans la figure

29 et les rapports de transmission optimaux calculeacutes sont repreacutesenteacutes dans la figure

210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms

Figure 29 Freacutequence (pulsation) eacutelectrique optimale du geacuteneacuterateur vs tension de

batterie pour les vitesses de vent seacutelectionneacutees

On peut observer de la figure 29 que pour des vents faibles la freacutequence optimale

augmente presque lineacuteairement avec la tension de batterie Pour des vents modeacutereacutes (6 agrave

9 ms) la courbe a un comportement deacutecroissant pour les tensions faibles Ceci est causeacute

par la caracteacuteristique non lineacuteaire de la puissance eacutelectrique avec la tension du systegraveme

Pour des tensions plus eacuteleveacutees la caracteacuteristique lineacuteaire croissante est de nouveau

retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms

Figure 210 Rapport de transformation de la boite de vitesses M obtenus pour les

freacutequences et les vitesses de rotation optimales

Les courbes des valeurs optimales pour le rapport de transformation de vitesse M de la

figure 210 sont obtenues agrave partir des valeurs optimales pour la freacutequence et la vitesse de

rotation Un comportement similaire agrave celui noteacute avec les freacutequences est aussi retrouveacute

La partie croissante lineacuteaire de la caracteacuteristique en fonction de la tension de batterie est

obtenue agrave vents faibles et pour les tensions eacuteleveacutees agrave vents modeacutereacutes Pour les tensions

faibles agrave vents modeacutereacutes entre 6 et 9 ms la caracteacuteristique preacutesente aussi une partie

deacutecroissante

Il est deacutemontrable que pour chaque vitesse de vent presque toutes les tensions de

batterie ont la mecircme puissance optimale Ceci est possible car il y a la possibiliteacute de

trouver la bonne valeur pour M qui fait fonctionner le systegraveme agrave la vitesse optimale

Les boites de vitesses automatiques agrave rapports de transmission multiples ne sont pas

adapteacutees pour un systegraveme de geacuteneacuteration de petite taille agrave cause de leur coucirct eacuteleveacute

Drsquoautre part une variation de la tension de batterie implique lrsquoutilisation drsquointerrupteurs

ou drsquoun eacutetage de conversion ce qui augmente aussi le coucirct du systegraveme


En conseacutequence il est neacutecessaire drsquoutiliser un critegravere suppleacutementaire pour choisir une

paire (M ucircS) unique et deacuteterminer une boite de vitesse et une tension de batterie fixes

pour le systegraveme

233 Seacutelection drsquoune paire (M uS) unique

Il y a diffeacuterentes meacutethodes pour deacutefinir une paire unique pour le rapport de

transformation de la boite de vitesses M et la tension de batterie repreacutesenteacutee par la

tension du systegraveme ucircS Une meacutethode pourrait consister agrave maximiser la production

drsquoeacutenergie sur le site du systegraveme eacuteolien Cependant ceci neacutecessite de connaicirctre les

conditions locales de vent par lrsquointermeacutediaire de la distribution de probabiliteacute du vent

par exemple Si cette information ou le lieu drsquoemplacement du systegraveme sont inconnus

une autre meacutethode de deacutetermination doit ecirctre utiliseacutee

Pour tenir compte de ces contraintes nous proposons drsquoutiliser les expressions

analytiques des puissances et de chercher agrave minimiser la distance entre la courbe ideacuteale

de la puissance en fonction de la vitesse de rotation (Pt (Ω) figure 24) et la courbe de

puissance du geacuteneacuterateur Pm

Pour reacutealiser cette tacircche une meacutethode de moindres carreacutes semble agrave priori pouvoir

convenir Il srsquoavegravere cependant que la caracteacuteristique non lineacuteaire de lrsquoeacutequation de

puissance eacutelectrique pose des inconveacutenients qui empecircchent lrsquoapplication directe de la

meacutethode de reacutegression de Gauss

Nous avons suivi une autre meacutethode consistant agrave minimiser la surface entre les courbes

des eacutequations de puissance meacutecanique (cible) et eacutelectrique (modifiable)

Pour cela une inteacutegration de la diffeacuterence entre les deux courbes est neacutecessaire

La recherche de lrsquoexpression analytique de la fonction primitive de la diffeacuterence entre

les puissances srsquoest aveacutereacutee possible mais son utilisation est un peu deacutelicate agrave cause de

fonctions deacutefinies par intervalles Lrsquointeacutegration numeacuterique des expressions eacutetant


toujours reacutealisable bien qursquoun peu moins preacutecise elle fut neacuteanmoins utiliseacutee dans ce cas

avec une meacutethode drsquointeacutegration numeacuterique des trapegravezes

24 Adaptation du Problegraveme drsquoOptimisation

Les eacutequations de la puissance eacutelectrique et meacutecanique du systegraveme en reacutegime permanent

permettent agrave nouveau la formulation du nouvel objectif principal Cependant cette fois

pour la fonction de la puissance meacutecanique une forme plus simple est utiliseacutee Pour

reacuteduire les degreacutes de liberteacute du systegraveme la vitesse du vent seule variable non

controcirclable du systegraveme est sortie de la formulation matheacutematique par lrsquoutilisation drsquoune

forme optimale

Lrsquoeacutequation (11) donne la puissance correspondant agrave une vitesse de vent v

3)(2

1vCAP pt sdotsdotsdot= λρ

Si le rapport de vitesse λ est maintenu agrave sa valeur optimale λ le coefficient de

puissance est toujours agrave sa valeur maximale CpM = Cp(λ) Donc la puissance de

lrsquoeacuteolienne est aussi agrave sa valeur maximale (224)

3

2

1vCAP pMt sdotsdotsdot= ρ (224)

Drsquoautre part si de lrsquoeacutequation du rapport de vitesses supposeacute maintenu agrave la valeur

optimale on isole la vitesse de vent (225) pour la remplacer dans lrsquoeacutequation de la

puissance meacutecanique maximale (224) on obtient lrsquoeacutequation (226)

Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)


On obtient donc une forme analytique de la puissance meacutecanique maximale de la

turbine eacuteolienne en fonction de sa vitesse de rotation Ω uniquement

Lrsquoeacutequation eacutelectrique qursquoon utilisera dans cette partie est lrsquoexpression (218)

( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ

La surface entre les courbes de puissance meacutecanique ideacuteale et la puissance produite par

la machine est

intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=minus=max

min

)()( dMuPPAAA mimi

Lrsquoobjectif du nouveau problegraveme drsquooptimisation est de rapprocher les deux courbes

donc de minimiser la diffeacuterence entre ses aires

intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)

Les variables drsquooptimisation sont toujours la tension du systegraveme et le rapport de

transformation de la boite de vitesses La proprieacuteteacute lineacuteaire de lrsquointeacutegrale permet une

seacuteparation des termes

intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm

La puissance meacutecanique ideacuteale de la turbine eacuteolienne Pi varie selon la vitesse et atteint

sa valeur nominale PN agrave la vitesse de vent nominale vN Il y a cependant un rang de

vitesses de vent entre vN et la valeur maximale (cut-off) ougrave la puissance de la turbine

eacuteolienne doit ecirctre reacuteguleacutee de faccedilon agrave ne pas deacutepasser PN Pour les petites eacuteoliennes ceci

est fait par le systegraveme de reacutegulation aeacuterodynamique de type stall (plus de deacutetail dans le


chapitre 3) Pour tenir compte de ces seacutequences lrsquoexpression de la puissance meacutecanique

ideacuteale (224) et sa courbe caracteacuteristique (figure 211) sont donneacutees par la suite

ΩC est la vitesse de rotation de la turbine agrave laquelle la puissance arrive agrave PN Il est

important de noter que les vitesses ΩC et ΩN (vitesse nominale de rotation de lrsquoeacuteolienne)

ne sont geacuteneacuteralement pas eacutegales (ΩC lt ΩN)

ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)

Lrsquointeacutegration de Pi donne une valeur fixe qui deacutepend uniquement des caracteacuteristiques

de lrsquoeacuteolienne

P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax

Figure 211 Courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne

Ω+ΩΩ

sdotsdotsdot=ΩΩ= intintintΩ

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ

sdotsdotsdot= intintΩ

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ

rArr ( ) ( )CNNCpMi PR

CAA ΩminusΩsdot+ΩminusΩ

sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)


Cette derniegravere eacutequation (229) nous permet drsquoeacutevaluer simplement la surface sous la

courbe de puissance ideacuteale de la turbine eacuteolienne

Les restrictions physiques du systegraveme et les contraintes matheacutematiques de lrsquoeacutequation de

la machine permettent de deacutefinir les limites drsquointeacutegration La limite supeacuterieure est

obtenue soit par la valeur nominale de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne soit par la

valeur de la vitesse ougrave la puissance eacutelectrique de la machine est supeacuterieure agrave la

puissance meacutecanique ideacuteale ou agrave la puissance nominale (230) La limite infeacuterieure est

obtenue soit de la valeur minimale de fonctionnement du systegraveme soit de la condition

de positiviteacute pour lrsquoeacutequation de la puissance soit de la condition de puissance non

imaginaire (231)

Ωmax = minΩ lt ΩN Pm(M u Ω) lt Pi Pm(M u Ω) lt PN (230)

Ωmin = maxΩ gt Ωmin sys ( ) ( )[ ] 0ˆ 2222 gtminusminusΩΨsdot+ΨsdotΩ sSSSS uRuMpLRMp

( ) ( )[ ] 0 2222 gtminusΩΨsdot+Ψ SSS uMpLR (231)

Les limites pour la tension du systegraveme et du rapport de transformation sont les mecircmes

que pour le problegraveme preacuteceacutedent

ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin

Une derniegravere contrainte utiliseacutee est de limiter la puissance de la machine agrave Pi pour eacuteviter

un surdimensionnement de la machine Ceci a eacuteteacute fait pour toute la plage de vitesses de

fonctionnement du systegraveme (232)

Pm(M us Ω) le Pi(Ω) forall Ωisin [Ωmin ΩN] (232)


Pour reacutesoudre le problegraveme drsquooptimisation preacuteceacutedent une meacutethode de Monte Carlo a eacuteteacute

utiliseacutee

La proceacutedure de solution est

1 Choisir un nombre SP de paires (uS M) initiales dans les limites de lrsquoespace

retenu

2 Veacuterifier les conditions pour les paires choisies et garder uniquement les paires

qui satisfont les contraintes du problegraveme (solutions faisables)

3 Creacuteer une fenecirctre de recherche avec les valeurs minimales et maximales des

solutions faisables trouveacutees [umin Mmin umax Mmax]

4 Choisir un vecteur de recherche r = [ru rM] aleacuteatoire chaque composant a une

valeur entre 0 et 1 et estimer les variables drsquooptimisation par

+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS

5 Evaluer la faisabiliteacute de la paire choisie et en cas favorable

6 Calculer lrsquointeacutegrale Am numeacuteriquement pour chaque paire faisable

7 Garder les valeurs de u M et A

8 Reacutepeacuteter les eacutetapes 4 agrave 8 un nombre de fois N avec un nouveau r agrave chaque

iteacuteration

9 Arranger les N reacutesultats anteacuterieurs en ordre croissant

10 Garder les E premiers (meilleurs) reacutesultats pour refaire une nouvelle fenecirctre de

recherche et reacutepeacuteter G fois les points 3 agrave 10

Les paramegravetres SP N et E sont des valeurs arbitraires Ainsi agrave la fin de la derniegravere

iteacuteration de la proceacutedure la solution du problegraveme se trouve agrave la premiegravere place des

derniers reacutesultats rangeacutes

241 Reacutesultats

Les paramegravetres du systegraveme sont toujours les mecircmes que ceux du cas preacuteceacutedent Dans le

tableau 25 les solutions obtenues pour 5 cas sont montreacutees Un programme sur

MATLABcopy fut preacutepareacute et utiliseacute pour rechercher les solutions


Le nombre initial de candidats fut SP = 20 Pour chaque essai de Monte-Carlo N = 20

individus furent testeacutes Le nombre de fois que les essais furent reacutepeacuteteacutes est G = 10

Les diffeacuterentes solutions obtenues se doivent agrave lrsquoexistence de multiples points optimaux

locaux et agrave la caracteacuteristique aleacuteatoire des points initiaux choisis par la meacutethode

Cependant tous ces points sont dans une mecircme zone on peut donc dire que la tension

optimale u se trouve entre 30 V et 33 V et que le rapport optimal de transformation de

la boite de vitesses M se trouve entre les valeurs 21 et 25

Tableau 25 Reacutesultat de 5 reacutepeacutetitions de la recherche par la meacutethode de Monte-Carlo

Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322

Il est remarquable que le cas I donne le meilleur reacutesultat la surface relative A Ai est la

plus petite des cas reacutealiseacutes qui peut ecirctre consideacutereacute comme le cas optimal donc les

valeurs optimales de la tension du systegraveme et du rapport de transformation de la boite de

vitesses sont est us = 30 V et M = 25

Les figures 212 et 213 illustrent le deacutebut et la fin du proceacutedeacute de recherche de la

solution du problegraveme drsquooptimisation proposeacute pour le cas II

On peut remarquer qursquoune large plage de possibiliteacutes est incluse dans cette premiegravere

iteacuteration du proceacutedeacute aleacuteatoire (figure 212a) Ceci permet que les points optimaux

possibles soient recueillis dans le processus drsquoeacutevaluation de la fonction objectif On peut

observer aussi que la meacutethode converge vers un point unique un optimum local dans ce

cas (figure 212b)


La figure 213 montre comment la fenecirctre de possibiliteacutes a eacutevolueacute entre la premiegravere

iteacuteration et la derniegravere Le nuage de points de la figure de la premiegravere iteacuteration drsquoeacutetale

par toute la plage de possibiliteacutes (figure 213a) tendant vers un point preacutecis proche de

lrsquooptimum (figure 213b) Ceci deacutemontre la convergence de la meacutethode utiliseacutee

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500

Wind Turbine Rotational Speed [RPM]

Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)

Figure 212 Courbes de puissance en fonction de la vitesse de rotation de lrsquoeacuteolienne

obtenues du procegraves de Monte-Carlo (a) Premiegravere iteacuteration options seacutelectionneacutees de la

plage complegravete (b) Derniegraveres possibiliteacutes apregraves 10 iteacuterations


20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)

Figure 213 Pairs (u M) recueillis par (a) la premiegravere et (b) par la derniegravere iteacuteration de

la meacutethode de Monte-Carlo


25 Conclusion

Une meacutethode pour lrsquooptimisation drsquoun systegraveme isoleacute de conversion eacuteolien de petite

taille est preacutesenteacutee et eacutetudieacutee Lrsquoobjectif est de maximiser la puissance produite par un

systegraveme simple sans commande meacutecanique ni eacutelectronique La meacutethode est baseacutee sur un

modegravele simple sans pertes dans la transmission meacutecanique avec lequel on obtient les

expressions de la puissance meacutecanique de la turbine eacuteolienne et eacutelectrique de la

machine

Lrsquoeacutequation de la puissance meacutecanique est obtenue agrave travers lrsquoapproximation du

coefficient de puissance de lrsquoeacuteolienne par une fonction rationnelle proposeacutee Un simple

modegravele de fem en seacuterie avec les composants R et L de la machine et une tension AC

eacutequivalente agrave celle de batterie permet drsquoobtenir lrsquoeacutequation de la puissance eacutelectrique

Une proceacutedure analytique permet de trouver pour chaque vitesse de vent les valeurs de

M en fonction de la tension de batterie afin de maximiser la puissance produite Ainsi

il est neacutecessaire drsquoeacutetablir un critegravere qui permette de deacutefinir une paire unique M et us pour

le systegraveme

Un critegravere de minimisation de la surface entre les courbes drsquoune puissance ideacuteale de

reacutefeacuterence et la puissance de la machine a eacuteteacute utiliseacute pour toute la plage de variation de

vitesse du vent Ainsi une proceacutedure de solution par la meacutethode de Monte Carlo a

permis de trouver une zone de points optimaux qui permet de maximiser la puissance

geacuteneacutereacutee par le systegraveme de conversion eacuteolien

3 Commande du Systegraveme de Conversion Eolien

31 Introduction

Les sites isoleacutes et les emplacements ougrave le reacuteseau nrsquoest pas disponible repreacutesentent des

applications commerciales principales pour les applications eacuteoliennes autonomes de

petite taille (Mathew 2006 Hau 2006 Knight and Peters 2005) Les systegravemes de

conversion eacuteoliens autonomes agrave vitesse variable sont deacutejagrave eacuteteacute eacutetudieacutes depuis plusieurs

anneacutees et ils ont montreacute leurs haut rendement et bonne performance face aux systegravemes

de vitesse fixe ou non commandeacutes mecircme dans la cateacutegorie des puissances faibles

(Mathew 2005 Hau 2006 Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Borowy

and Salameh 1997 Ermis 1992)

Pour les turbines eacuteoliennes de moins de 50kW plus particuliegraverement dans la gamme de

puissance la plus faible le geacuteneacuterateur synchrone agrave aimants permanents (PMSG) est

largement utiliseacute principalement en raison du bon compromis qursquoil repreacutesente entre son

coucirct sa construction ses pertes et la preacutesence de preacute-magneacutetisation interne (Soumlderlund

and Eriksson 1996) Plusieurs types de convertisseurs eacutelectroniques de puissance

depuis les convertisseurs DCDC de base au convertisseur ACAC triphaseacute avec bus

DC sont utiliseacutes pour obtenir un transfert de puissance efficace de la turbine eacuteolienne

au systegraveme eacutelectrique Le niveau de puissance deacutefinit le convertisseur approprieacute pour

lrsquoapplication les hacheurs pour les chargeurs de batterie et les applications DC de

faible puissance (Knight and Peters 2005 De Broe et al 1999 Ermis et al 1992) et

les convertisseurs AC de type source de tension ou de courant pour les systegravemes

interconnecteacutes de faible puissance et la connexion au reacuteseau public (Papathanassiou and

Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)


Dans ce chapitre les meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique les plus

utiliseacutees sont montreacutees et expliqueacutees briegravevement Cependant comme il a deacutejagrave eacuteteacute

expliqueacute une majoriteacute des turbines eacuteoliennes sont raccordeacutees directement au reacuteseau

public drsquoeacutelectriciteacute donc nombreuses sont les eacuteoliennes qui tournent agrave vitesse fixe agrave

cause de cette connexion directe Malgreacute la commande meacutecanique lrsquoopeacuteration nrsquoest

cependant optimale qursquoagrave une seule valeur de la vitesse de vent

En conseacutequence lrsquointeacutegration de lrsquoasservissement des machines eacutelectriques est un

compleacutement pour les strateacutegies aeacuterodynamiques Le fait de commander la machine et de

permettre son fonctionnement agrave vitesse variable (connexion indirecte au reacuteseau ou

application isoleacutee) se montre avantageux pour de nombreuses raisons

Quelques structures de puissance et de commande dans les systegravemes eacuteoliens de faible

puissance deacutejagrave eacutetudieacutees auparavant sont aussi preacutesenteacutees et commenteacutees sommairement

Elles donnent quelques ideacutees de base pour proposer une nouvelle structure

Un systegraveme de conversion avec un redresseur agrave diode et un convertisseur DCDC

cascade est preacutesenteacute et eacutetudieacute pour son application dans un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien

isoleacute Il est composeacute drsquoun convertisseur eacuteleacutevateur et associeacute agrave un autre convertisseur

abaisseur pour optimiser le fonctionnement de lrsquoeacuteolienne dans toute la gamme de

vitesse du vent

La topologie proposeacutee est approprieacutee pour un petit systegraveme de puissance DC avec

stockage drsquoeacutenergie par batterie Avec le geacuteneacuterateur le composant de puissance

eacutelectrique principal du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien proposeacute est le convertisseur

DCDC La commande de la tension permet lrsquoajustement de la vitesse de rotation de la

machine dans le but drsquoobtenir le maximum de puissance disponible agrave partir de la turbine

eacuteolienne

Un systegraveme de commande est conccedilu pour le fonctionnement correct du systegraveme de

geacuteneacuteration eacuteolien Les convertisseurs sont commandeacutes indeacutependamment et fonctionnent

Chapitre 3 ndash Commande du Systegraveme de Conversion Eolien 83

de faccedilon compleacutementaire Une simple commande lineacuteaire de la vitesse donne la

reacutefeacuterence de tension agrave une commande feed-forward du convertisseur cascade

Les reacutesultats montrent que la structure proposeacutee peut suivre une reacutefeacuterence de puissance

constante et qursquoelle srsquoadapte correctement agrave une application de geacuteneacuteration eacuteolienne

32 Systegravemes de Geacuteneacuteration Eoliens Commandeacutes

La courbe typique de puissance drsquoune eacuteolienne est montreacutee agrave la figure 31 Le systegraveme

commence agrave geacuteneacuterer quand la vitesse du vent surpasse un seuil drsquoamorccedilage vcut-in Ce

seuil deacutepend de plusieurs facteurs selon les structures de conversion employeacutees Au-

delagrave la puissance augmente jusqursquoaux valeurs nominales de vent (vN) et de puissance

(PN) Cette valeur de vitesse du vent est deacuteterminante dans la conception du systegraveme et

elle est choisie geacuteneacuteralement entre 11 et 15 ms Au delagrave de cette vitesse le systegraveme

fonctionne agrave puissance constante eacutegale agrave PN jusqursquoagrave la vitesse maximale vcut-off au dessus

de laquelle lrsquoeacuteolienne doit ecirctre mise hors fonctionnement par seacutecuriteacute La puissance

geacuteneacutereacutee par lrsquoeacuteolienne doit se reacutegler au delagrave de la vitesse nominale du vent car lrsquoeacutenergie

ameneacutee par le vent est supeacuterieure agrave ce que le systegraveme de conversion peut supporter

P

v vN vcut-off vcut-in

PN

Figure 31 Courbe typique drsquoune turbine eacuteolienne


Les meacutethodes plus courantes de reacuteglage de la puissance drsquoune turbine eacuteolienne sont

a) La commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale (blade pitch control)

b) La commande agrave angle fixe (passive stall control)

c) Commande stall active (active stall control)

d) La commande drsquoorientation (yaw control)

321 Commande Aeacuterodynamique du Rotor

Lrsquoexpression de la puissance ameneacutee par le vent (31) est largement reconnue et utiliseacutee

3

2

1vCAP pρ=

(31)

Dans lrsquoeacutequation (31) ρ est la densiteacute de lrsquoair A est la surface de balayage des pales CP

est le coefficient de puissance et v est la vitesse du vent Pour reacutealiser une commande de

la puissance de lrsquoeacuteolienne le coefficient de puissance CP est utile car agrave part v crsquoest le

seul paramegravetre variable et agrave la diffeacuterence de v il est reacuteglable Sa valeur deacutepend de la

vitesse du vent et de la vitesse de rotation du rotor Le CP a un comportement non

lineacuteaire par rapport au coefficient de vitesses (tip-speed ratio) (λ = ΩRv) et il est

caracteacuteristique de chaque type de turbine eacuteolienne Lrsquoeacutevolution de CP en fonction de λ

pour plusieurs eacuteoliennes est montreacutee sur la figure 32

Sur cette figure on peut remarquer que en geacuteneacuteral la turbine agrave axe horizontal (HAWT)

a un coefficient de puissance plus eacuteleveacute Celles agrave rotor vertical et celles de plus de trois

pales (multi-pales) preacutesentent des valeurs plus faibles de CP CPmax asymp 015 pour la

Savonius CPmax asymp 04 pour la Darrieus (valeur la plus haute des machines agrave axe

vertical) CPmax asymp 03 pour lrsquoeacuteolienne ameacutericaine et CPmax asymp 025 pour la forme

hollandaise bien connue La plus performante des eacuteoliennes de la figure est la turbine

tripale (CPmax asymp 05)


Figure 32 Coefficients de puissance (Cp) de diffeacuterents concepts de rotors eacuteoliens

(Source Hau 2006)

On peut remarquer que dans le cas des eacuteoliennes agrave axe horizontal les valeurs

maximales du CP ont lieu pour des valeurs de λ plus eacuteleveacutees En conseacutequence pour une

vitesse de vent donneacutee le rotor doit tourner agrave une vitesse relativement plus eacuteleveacutee pour

deacutevelopper les meilleures valeurs de rendement aeacuterodynamique Cette proprieacuteteacute est

favorable pour lrsquoassociation agrave un geacuteneacuterateur car dans le cas ougrave il est neacutecessaire le

rapport de transformation de la boite de vitesses peut ecirctre plus faible

On peut distinguer aussi que le point optimal (λ CP

) pour chaque eacuteolienne est un point

preacutecis et unique ce qui est mis agrave profit par quelques systegravemes de commande

(commande blade-pitch et commande eacutelectrique du geacuteneacuterateur) chargeacutes de suivre ce

point au mieux pour optimiser le fonctionnement et maximiser la puissance produite et

lrsquoeacutenergie fournie

Les strateacutegies de commande aeacuterodynamiques sont maintenant expliqueacutees briegravevement


3211 Commande de lrsquoAngle drsquoAttaque de la Pale (Blade Pitch

Control)

Le type de commande le plus utiliseacute pour les eacuteoliennes de taille moyenne ou grande est

le commande de lrsquoangle drsquoattaque de la pale Il se reacutealise par un ajustement de

lrsquoincidence du vent sur les pales ce qui modifie lrsquoangle drsquoattaque et la quantiteacute de

puissance fournie sur lrsquoaxe de rotation de la turbine lrsquoeacuteolienne (Figure 33)

Geacuteneacuteralement cette commande se fait en fonction de la valeur mesureacutee de la vitesse du

vent

Figure 33 Reacutegulation de la puissance du rotor par ajustement de lrsquoangle de la pale

(Source Hau 2006)

Avec ce type de commande lrsquoangle de la pale est reacutegleacute agrave sa valeur optimale pour les

vitesses du vent entre la vitesse de seuil de deacutemarrage de la turbine et la valeur

nominale pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent Au-delagrave de la vitesse

nominale la commande change lrsquoangle des pales de faccedilon agrave reacuteduire le rendement du

rotor la puissance en excegraves eacutetant dissipeacutee en pertes aeacuterodynamiques


3212 Reacutegulation agrave Angle Fixe (Passive Stall Control)

Ce type de commande en boucle ouverte est baseacute sur une conception approprieacutee du

profil de la pale Lorsque la vitesse du vent deacutepasse la valeur nominale le flux drsquoair du

cocircteacute supeacuterieur de la pale commence agrave perdre de la vitesse ce qui forme des vortex ces

turbulences causent une perte de sustentation aeacuterodynamique de la pale et permettent la

dissipation de lrsquoexcegraves de puissance (Figure 34) Cette commande agit uniquement pour

limiter la puissance agrave des vents forts reacutegulant la puissance agrave sa valeur nominale ou plus

faible Le fonctionnement agrave vents faibles reste sans aucune commande donc la

puissance obtenue deacutepend des caracteacuteristiques meacutecanique de la turbine et des

caracteacuteristiques eacutelectriques de la machine

Figure 34 Effet de perte de portance (stall) agrave cause de la vitesse de vent eacuteleveacutee pour

une pale agrave angle fixe (Source Hau 2006)

La figure 34 illustre tregraves bien lrsquoeffet de stall provoqueacute par lrsquoangle drsquoattaque de la pale

face au vent Des vortex se forment reacuteduisant la portance aeacuterodynamique de la pale de

lrsquoeacuteolienne ce qui diminue la puissance obtenue par le systegraveme de conversion


La commande blade-pitch permet une capture plus efficace de la puissance par vents

modeacutereacutes gracircce agrave la capaciteacute de reacuteglage agrave lrsquoangle optimal Neacuteanmoins il est neacutecessaire

drsquoinclure des parties mobiles pour faire lrsquoajustement ce qui se traduit par une

complexiteacute accrue De plus le systegraveme de commande a besoin drsquoune sensibiliteacute

suffisante pour suivre les variations du vent ce qui augmente les coucircts Ce sont des

inconveacutenients vis-agrave-vis de la reacutegulation stall qui nrsquoa pas besoin de systegraveme de

commande ni de meacutecanisme de reacuteglage drsquoangle de pale Neacuteanmoins pour chacun de ces

cas les pales doivent ecirctre construites speacutecialement et une technologie sophistiqueacutee est

neacutecessaire pour cela De mecircme sans une analyse aeacuterodynamique soigneacutee des

problegravemes de vibrations peuvent se preacutesenter (Mathew 2006)

3213 Commande Stall Active (Active Stall Control)

Les turbines les plus modernes et de grande capaciteacute utilisent les avantages des deux

types de commande deacutejagrave preacutesenteacutees comme le proposent certains fabricants danois

Cette meacutethode est connue comme Active Stall pour les vents faibles et modeacutereacutes la

commande est de type blade-pitch et pour le reacuteglage sur la plage agrave puissance nominale

les pales sont orienteacutees de faccedilon agrave forcer la perte de portance ce qui est eacutequivalent au

laquo passive stall control raquo

3214 Commande drsquoOrientation

Une autre meacutethode de reacutegulation de la puissance est de positionner la turbine eacuteolienne

partiellement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent eacuteleveacutees Cette

meacutethode est nommeacutee commande drsquoorientation (yaw control) Pour les vents supeacuterieurs agrave

vcut-off la position du rotor est complegravetement perpendiculaire au vent ce qui annule toute

geacuteneacuteration (furling) Ce type de commande est cependant limiteacute aux petites turbines

eacuteoliennes car cette meacutethode engendre drsquoimportants efforts meacutecaniques au niveau du macirct

et des pales Les eacuteoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette meacutethode de

reacutegulation de puissance sans provoquer des efforts pouvant endommager lrsquoeacuteolienne


322 Commande du Systegraveme Electrique

Selon la litteacuterature speacutecialiseacutee la commande des turbines eacuteoliennes se fait de preacutefeacuterence

par les moyens meacutecaniques aeacuterodynamiques qui viennent drsquoecirctre rappeleacutes Cependant en

suivant les principes de conversion de lrsquoeacutenergie du vent il apparaicirct qursquoune autre forme

de faire la reacutegulation de la puissance produite par lrsquoeacuteolienne est drsquoagir sur sa vitesse de

rotation Plusieurs configurations sont reacutealisables avec des machines synchrones ou

asynchrones et crsquoest ici que le domaine des asservissements des machines eacutelectriques

prend place

Il y a deacutejagrave quelques drsquoanneacutees que cette discipline a deacuteveloppeacute diffeacuterentes formes de

commande de vitesse parmi lesquelles plusieurs sont applicables aux systegravemes de

conversion eacuteoliens Un reacutesumeacute de quelques meacutethodes utiliseacutees et les tendances reacutecentes

sur ce sujet speacutecialement pour des systegravemes de faible taille sont preacutesenteacutes maintenant

Les systegravemes traditionnels fonctionnent typiquement agrave freacutequence fixe imposeacutee par le

reacuteseau auquel ils sont connecteacutes Le fait de travailler agrave freacutequence fixe et donc agrave vitesse

de rotation presque fixe implique qursquoil nrsquoy a qursquoune seule vitesse de vent pour laquelle

lrsquoeacutenergie disponible est correctement exploiteacutee Pour les autres vitesses de vent la

capture drsquoeacutenergie se fait de faccedilon sous-optimale

Les systegravemes agrave freacutequence variable preacutesentent diffeacuterents avantages significatifs (Godoy

Simoes et al 1997 Papathanassiou and Papadopoulos 1999 Neris et al 1999)

a) La reacuteduction des efforts meacutecaniques sur la chaicircne de conversion principale

b) Une qualiteacute meilleure pour la puissance eacutelectrique

c) Un niveau infeacuterieur drsquoeacutemission de bruit

d) Une capture drsquoeacutenergie supeacuterieure

Ces systegravemes utilisent des convertisseurs statiques qui permettent de transformer une

tension issue du geacuteneacuterateur agrave freacutequence et amplitude variable en une tension de

freacutequence et drsquoamplitude fixes et deacutefinies par le reacuteseau ou le systegraveme eacutelectrique qursquoils


alimentent Ils preacutesentent donc un coucirct drsquoinstallation plus eacuteleveacute mais le fait de convertir

plus drsquoeacutenergie leur permet de produire agrave des coucircts infeacuterieurs

3221 Systegravemes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes agrave

Pales Ajustables

La commande de lrsquoangle de pale est baseacutee sur la perte de puissance aeacuterodynamique Sur

la figure 35 on peut remarquer qursquoil existe une valeur optimale du coefficient de

puissance pour chaque valeur de lrsquoangle de la pale Le niveau du coefficient de

puissance maximal est diffeacuterent pour chaque angle de pale et ceci est exploiteacute pour la

reacutegulation agrave PN pour v gt vN de la strateacutegie blade-pitch Il y a aussi un angle β ou le CP

peut atteindre une valeur maximale globale il srsquoagit de lrsquoangle β optimal Pour les

angles diffeacuterents de lrsquoangle optimal la puissance produite sera infeacuterieure au maximum

Donc pour les vents modeacutereacutes (v lt vN) la commande de la vitesse de rotation du

systegraveme est associeacutee agrave la commande blade-pitch de la faccedilon suivante Pour un

rendement aeacuterodynamique maximal lrsquoangle de la pale reste fixeacute agrave sa valeur optimale β

et la vitesse de la machine eacutelectrique est reacutegleacutee pour fonctionner agrave la valeur maximale

du coefficient de puissance Cp Ce principe conduit agrave une production maximale de

puissance pour chaque valeur de vitesse du vent (Boukhezzar 2006) Un scheacutema

simplifieacute de cette commande est montreacute dans la figure 36

La commande du geacuteneacuterateur eacutelectrique est beaucoup plus rapide que celle du

mouvement de lrsquoangle drsquoattaque des pales ce qui permet entre autres de mener des

changements rapides que le systegraveme de reacutegulation blade-pitch ne peut pas suivre Ceci

drsquoune part eacutevite les changements brusques de charge au niveau du rotor et permet

drsquoautre part de convertir lrsquoeacutenergie qui serait normalement perdue agrave cause du retard

engendreacute par lrsquoajustement des pales et drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique du systegraveme

Durant le fonctionnement agrave fortes vitesses de vent (v gt vN) pour eacuteviter des problegravemes

drsquoinstabiliteacute il nrsquoest plus possible de maintenir un angle fixe et de reacutegler uniquement

par la vitesse de rotation La reacutegulation du systegraveme est alors inverseacutee le geacuteneacuterateur

fonctionne agrave vitesse fixe et la commande blade-pitch fait la reacutegulation du couple pour


maintenir la puissance agrave sa valeur nominale PN Cependant cette solution deacuteteacuteriore la

reacuteponse dynamique du systegraveme En agissant simultaneacutement sur la commande du

geacuteneacuterateur et celle des pales ce qui correspond agrave une commande multi-variable

deacutecoupleacutee une bonne reacutegulation est obtenue autant pour la puissance que pour la

vitesse de rotation (Boukhezzar 2006)

Figure 35 Coefficient de puissance Cp en fonction du rapport de vitesses λ pour des

angles drsquoattaque diffeacuterents Turbine eacuteolienne expeacuterimentale WKA-60

(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control

Figure 36 Exemple de commande multi-variable proposeacute par Boukhezzar (2006)



Pales Fixes

Des structures avec des eacuteoliennes agrave angle de pale fixe (stall ou pitch fixeacute sur une

valeur) ougrave la commande du geacuteneacuterateur reacutealise la reacutegulation sont utiliseacutes pour les

systegravemes AC individuels (Hilloowala and Sharaf 1996) pour les reacuteseaux faibles (Neris

et al 1999) ou pour le raccordement direct au reacuteseau public (Godoy Simoes et al

1997 Bouscayrol et al 2005)

Pour ces systegravemes de moyenne et grande taille plusieurs meacutethodes de commande ont

eacuteteacute deacuteveloppeacutees Quelques unes associent des meacutethodes de commande lineacuteaire et non

lineacuteaire (Neris et al 1999) ou font appel agrave des commandes plus sophistiqueacutees avec de

la logique floue (Hilloowala and Sharaf 1996 Godoy Simoes et al 1997) ou baseacutees

sur lrsquoeacutenergie et la passiviteacute (De Battista et al 2003)

La plupart de ces meacutethodes utilisent plusieurs eacutetapes la premiegravere pour deacutefinir la

reacutefeacuterence de vitesse du rotor et une seconde pour faire la commande mecircme de la

machine eacutelectrique Cette derniegravere eacutetape utilise la commande Vf ou la commande

vectorielle pour la machine asynchrone et la commande dans le repegravere rotorique (dq

control) pour les machines synchrones

Plusieurs systegravemes eacutevitent de faire la mesure de la vitesse du vent pour se dispenser des

aneacutemomegravetres coucircteux En conseacutequence ils utilisent la relation optimale (32) entre la

vitesse de rotation du systegraveme et la puissance agrave produire de faccedilon agrave faire la comparaison

et corriger la diffeacuterence

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

Pour les petites turbines eacuteoliennes le meacutecanisme drsquoajustement de lrsquoangle de la pale est

trop cher et ne se justifie pas La commande agrave vent faibles peut alors ecirctre faite par des

moyens eacutelectriques (Ermis et al 1992 Borowy and Salameh 1997 De Broe et al

1999 Knight and Peters 2005) La perte de sustentation (stall) limite la puissance pour


les vitesses de vent eacuteleveacutee pour les HAWT et quelques VAWT La reacutegulation agrave

puissance nominale pour les vents forts peut toujours se faire par la commande du

geacuteneacuterateur pour les autres VAWT

Les alternateurs multipolaires agrave aimants permanents qui nrsquoont pas besoin de boite de

vitesses sont freacutequemment utiliseacutes dans ces systegravemes Certaines structures utilisent la

reacutegulation de lrsquoexcitation du rotor (Ermis et al 1992) pour leur commande Ils sont

souvent connecteacutes agrave des groupes de batteries le reacuteglage est fait en fonction de la tension

continue pour maitriser lrsquoeacutetat de charge

La commande est conccedilue pour trouver le point de transfert maximal de puissance Pour

les vents faibles et modeacutereacutes ceci peut se faire en suivant le point optimal λ (ou Cp)

puis pour les vents plus forts en reacutegulant pour rester agrave PN Les systegravemes programmables

comme les microcontrocircleurs (microC) et les processeurs de signaux numeacuteriques (DSP de

Digital Signal Processor) sont approprieacutes pour accomplir cette tacircche

La grandeur de commande utiliseacutee couramment est le rapport cyclique drsquoun

convertisseur DCDC de puissance (hacheur) (De Broe et al 1999 Knight and Peters

2005) soit pour imposer une certaine valeur de tension aux bornes de la machine soit

pour lrsquoexcitation du circuit inducteur au rotor (Ermis et al 1992) Il est aussi possible

de rencontrer des structures qui regraveglent lrsquoangle drsquoamorccedilage drsquoun redresseur commandeacute agrave

thyristors (Borowy and Salameh 1997)

La relation optimale puissance vs vitesse du rotor (32) est largement utiliseacutee pour

eacuteviter lrsquoutilisation drsquoaneacutemomegravetres Quelques auteurs arrivent jusqursquoagrave faire un modegravele du

systegraveme eacutelectrique pour obtenir une relation optimale entre la tension DC et la vitesse de

rotor (Knight and Peters 2005) La mesure de la vitesse de rotation se fait soit par

tachymegravetre soit par la mesure de la freacutequence eacutelectrique de la tension de sortie du

geacuteneacuterateur Quelques scheacutemas de systegravemes preacuteceacutedemment eacutevoqueacutes sont reacutesumeacutes dans

les figures 37 agrave 310


wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency

signal generator control unit

battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D

Figure 37 Scheacutema simplifieacute de la structure de commande appliqueacutee agrave des systegravemes de

faible puissance proposeacutee par Ermis et al (1992)

Ermis et al (1992) ont proposeacute la structure de la figure 37 qui est composeacutee drsquoune

VAWT poseacutee sur une tour Elle utilise un arbre de transmission de la longueur de la

tour accoupleacute agrave une machine synchrone bobineacutee (WRSG) qui est placeacute agrave la base de la

tour Le systegraveme comporte un bus DC pour le stockage drsquoeacutenergie dans des batteries Il

sert aussi pour commander le circuit drsquoexcitation de lrsquoalternateur et pour fournir de

lrsquoeacutenergie agrave la charge eacutelectrique du systegraveme en courant continu Le geacuteneacuterateur est

speacutecialement conccedilu pour son application agrave un systegraveme isoleacute de faible taille Pour la

commande du WRSG un convertisseur DCDC est proposeacute qui commande le courant

drsquoexcitation Les signaux capteacutes sont la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur la tension et

le courant fournis agrave la batterie et agrave la charge Une uniteacute de commande utilise le rapport

cyclique du convertisseur DCDC comme variable de commande pour ajuster la fem

de la machine

Le scheacutema de la figure 38 pour un systegraveme de geacuteneacuteration renouvelable est proposeacute par

Borowy et Salameh (1997) Il est pourvu de production eacuteolienne et photovoltaiumlque drsquoun

systegraveme de stockage par batterie et drsquoun onduleur pour fournir la puissance agrave la charge

La turbine eacuteolienne (HAWT) entraicircne un geacuteneacuterateur agrave aimants permanents qui lui-

mecircme est connecteacute au bus DC par un redresseur commandeacute agrave thyristors Les cellules

photovoltaiumlques sont connecteacutees au bus DC par un convertisseur DCDC commandeacute en


MPPT (Maximal Power Point Tracking) Le systegraveme de commande est une uniteacute

centrale qui fournit les reacutefeacuterences pour le MPPT le redresseur agrave thyristors et pour

lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D

Figure 38 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Borowy and Salameh (1997)

wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D

Figure 39 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par DeBroe et al (1999)


Le scheacutema de geacuteneacuteration eacuteolienne proposeacute par DeBroe et al (1999) (figure 39) est

composeacute drsquoune HAWT drsquoun geacuteneacuterateur agrave aimants permanents drsquoun convertisseur

eacutelectronique agrave deux eacutetages de conversion en cascade et drsquoun systegraveme de stockage par

batterie Les deux eacutetages de conversion eacutelectrique sont constitueacutes drsquoun redresseur pour

transformer la tension AC de la machine en une tension DC variable avec la vitesse du

geacuteneacuterateur puis drsquoun hacheur pour srsquoadapter agrave la variation de la tension agrave la sortie du

redresseur en alimentant le DC bus de la batterie Le hacheur est un convertisseur

DCDC Buck-Boost (abaisseur et eacuteleacutevateur) qui permet de diminuer ou de monter la

tension DC selon les besoins du systegraveme

Le systegraveme de commande utilise la relation puissance ndash vitesse de rotation optimale

pour deacutefinir la puissance maximale disponible agrave la vitesse mesureacutee et fait eacutevoluer le

rapport cyclique du hacheur pour minimiser lrsquoeacutecart entre la puissance disponible et la

puissance produite Ainsi le changement la tension DC entraicircne la variation de la vitesse

de rotation de la machine (freacutequence eacutelectrique)

Knights et Peters (2005) proposent la structure de la figure 310 qui est similaire agrave celle

proposeacutee par DeBroe et al avec la diffeacuterence que le convertisseur DCDC nrsquoest que

Boost (eacuteleacutevateur) Le fonctionnement du systegraveme nrsquoest optimiseacute que sur la plage de

vitesse de vents faibles et modeacutereacutes Le systegraveme est conccedilu pour neacutecessiter une commande

eacuteleacutevatrice quand la vitesse du vent est infeacuterieure agrave vN

wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D

Figure 310 Scheacutema simplifieacute de la structure proposeacutee par Knight and Peters (2005)


La reacutegulation agrave puissance nominale pour v gt vN est reacutealiseacutee uniquement par le

deacutecrochement aeacuterodynamique des pales (stall) de la turbine eacuteolienne Le systegraveme de

commande utilise un capteur de freacutequence et un modegravele du geacuteneacuterateur pour estimer la

puissance et reacutegler le rapport cyclique afin de maximiser la production drsquoeacutenergie

3223 Structure de Puissance Proposeacutee

Le systegraveme de conversion proposeacute est obtenu en associant une petite turbine eacuteolienne

tripale agrave axe horizontal (HAWT) une boicircte de vitesse un geacuteneacuterateur agrave aimants

permanents un pont redresseur agrave diodes un hacheur un systegraveme de stockage par

batterie et une charge eacutelectrique (Figure 311)

G

v

M

HAWT Gearbox PMSG Diode

bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter

Figure 311 Systegraveme de conversion eacuteolien proposeacute avec commande de vitesse et

stockage drsquoeacutenergie

La HAWT preacutesente le coefficient de puissance aeacuterodynamique le plus important de

toutes les turbines eacuteoliennes et sa vitesse de rotation optimale est aussi de valeur plus

eacuteleveacutee que les autres Ces caracteacuteristiques en font la structure la plus efficace et la plus

approprieacutee pour leur association aux geacuteneacuterateurs eacutelectriques (Mathew 2006 Hau

2006) La boicircte de vitesse permet la correspondance entre les vitesses de rotation de

lrsquoeacuteolienne et du geacuteneacuterateur Le PMSG est le geacuteneacuterateur qui convient le mieux aux

applications eacuteoliennes de petite taille car il procure un bon compromis entre son coucirct

ses performances et son inteacutegration (Hau 2006 Soumlderlund and Eriksson 1996) Un

simple pont redresseur agrave diodes est connecteacute agrave la sortie du geacuteneacuterateur pour la conversion

ACDC


On a vu que pour une topologie semblable un convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) est utiliseacute

(Knight and Peters 2005) pour ameacuteliorer la production drsquoeacutenergie du systegraveme lorsque les

vitesses de vent sont faibles Dans drsquoautres propositions la commande de vitesse du

geacuteneacuterateur du systegraveme (De Broe et al 1999) est fait avec un convertisseur abaisseur-

eacuteleacutevateur (Buck-Boost)

L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +

Figure 312 Convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute pour le systegraveme de geacuteneacuteration

eacuteolien

Ainsi la structure agrave vitesse variable proposeacutee agrave la figure 312 combine les principaux

avantages des topologies preacuteceacutedentes une forme drsquoonde de courant non deacutecoupeacutee agrave

lrsquoentreacutee du convertisseur et la capaciteacute drsquoabaisser et drsquoeacutelever la tension (Ang and Oliva

2005)

bull Le premier eacutetage du convertisseur cascade preacutesente une inductance en seacuterie agrave

lrsquoentreacutee L1 (Figure 312) Avec ce composant le courant drsquoentreacutee comporte une

composante continue principale et une ondulation superposeacutee dont lrsquoamplitude

deacutepend de la conception du convertisseur en mode continu Cette caracteacuteristique

permet aussi au convertisseur drsquoecirctre utiliseacute pour la correction du facteur de

puissance si neacutecessaire

bull La fonction abaisseur permet une reacuteduction de la tension de la machine lors du

fonctionnement agrave vents forts pour ainsi rester agrave puissance maximale du

geacuteneacuterateur et eacuteviter la surcharge du systegraveme (De Broe et al 1999)

bull La fonction eacuteleacutevateur est utiliseacutee pour les vitesses de vent faibles et eacutelargit la

plage de fonctionnement en reacuteduisant la vitesse de vent minimale du systegraveme

(De Broe et al 1999 Knight and Peters 2005)


Le systegraveme proposeacute permet de faire du stockage par batterie Pour des raisons de

seacutecuriteacute la tension DC de sortie du systegraveme est limiteacutee agrave 48 VDC Le PMSG a une

tension nominale de 60 VLL Une diode de recouvrement rapide (fast recovery diode) et

un MOSFET de puissance sont utiliseacutes pour la commutation agrave haute freacutequence

La vitesse de rotation de systegraveme est ajusteacutee par la commande de tension du

convertisseur De cette faccedilon la tension du PMSG est ajusteacutee pour obtenir la vitesse de

rotation voulue La commande de vitesse proposeacutee suit le rapport de vitesses qui

maximise le coefficient de puissance de la turbine eacuteolienne

3224 Strateacutegie de Commande Proposeacutee

La strateacutegie de commande du systegraveme comporte deux eacutetapes Une premiegravere eacutetape qui

creacutee la reacutefeacuterence de tension DC pour arriver agrave la vitesse de rotation souhaiteacutee selon les

conditions du systegraveme puis une deuxiegraveme eacutetape qui eacutelabore la commande des

convertisseurs pour arriver agrave cette valeur de tension

Commande de la vitesse de la machine

La puissance meacutecanique de lrsquoeacuteolienne deacutepend de la densiteacute de lrsquoair de lrsquoaire balayeacutee par

les pales du coefficient de puissance et de la vitesse de vent Les deux premiers

paramegravetres sont sensiblement constants et la vitesse de vent nrsquoest pas un paramegravetre

controcirclable Le coefficient de puissance (CP) est une caracteacuteristique de la turbine

eacuteolienne qui deacutepend du rapport de vitesses λ

La figure 313 montre la relation entre le CP (λ) lrsquoeacuteolienne tripale du systegraveme et la

production de puissance pour trois valeurs diffeacuterentes de vitesse du vent


0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)

Figure 313 (a) Courbe caracteacuteristique de la turbine eacuteolienne (b) Puissance deacutelivreacutee par

lrsquoeacuteolienne en fonction de la vitesse de rotation du geacuteneacuterateur et courbe de puissance

maximale (ligne en tirets)

Le coefficient de puissance est maximal pour une certaine valeur de λ Pour chaque

vitesse du vent v il y a donc une vitesse de rotation Ω de la machine qui maximise

lrsquoutilisation de la turbine eacuteolienne au point optimal du coefficient de puissance

Lrsquoensemble de ces points (la ligne en tirets sur la figure 313b) correspond agrave la relation

(32) mentionneacutee preacuteceacutedemment

Le reacuteglage de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur sera le seul moyen pour commander

la vitesse de rotation de systegraveme car le geacuteneacuterateur PMSG nrsquoa pas drsquoexcitation variable

La commande de la tension aux bornes du geacuteneacuterateur est fait avec le convertisseur

DCDC qui ajuste sa tension drsquoentreacutee (la tension de sortie du redresseur) pour une

tension de sortie fixeacutee par les batteries Il agit indirectement comme une commande agrave

vitesse variable pour le geacuteneacuterateur

Si la mesure de la vitesse de vent est disponible la reacutefeacuterence de vitesse peut ecirctre

obtenue drsquoune relation lineacuteaire (33) (Papathanassiou et Papadopoulos 1999) Cette

approche est simple et directe mais la mesure preacutecise de la vitesse de vent est difficile

et exige lrsquoutilisation drsquoun aneacutemomegravetre eacuteleacutement couteux Une autre meacutethode propose de

suivre agrave la trace la puissance maximale par lrsquoacceacuteleacuteration du rotor creacuteeacutee par le

deacuteseacutequilibre des puissances meacutecanique et eacutelectrique (Neris et al 1999) Cette meacutethode


nrsquoutilise pas de mesure de la vitesse du vent mais des oscillations peuvent avoir lieu

autour du point de fonctionnement et peuvent limiter la deacutetection des changements

(Knight et Peters 2005) Drsquoautres approches proposent une commande baseacutee sur un

rapport preacutedeacutetermineacute entre la freacutequence eacutelectrique du geacuteneacuterateur et la puissance deacutelivreacutee

par la machine (34) (DeBroe et al 1999) ou entre la freacutequence et la tension DC

(Knight et Peters 2005) De cette maniegravere la mesure de la vitesse du vent nrsquoest pas

neacutecessaire non plus pour lrsquoasservissement cependant la freacutequence eacutelectrique ou la

vitesse de rotation la puissance dans un cas ou la tension DC dans lrsquoautre cas doivent

ecirctre mesureacutees Pour le cas avec mesure de la tension des modegraveles de la machine et du

convertisseur doivent ecirctre inclus dans le systegraveme de commande En geacuteneacuteral les

commandes ont besoin de la mesure de la vitesse de rotation ou de la freacutequence

eacutelectrique pour la commande en boucle fermeacutee

vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)

Une fois connue la mesure de la puissance deacutelivreacutee P la reacutefeacuterence de vitesse Ω peut

srsquoobtenir simplement de la relation (32)

31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)

La constante k est donneacutee par lrsquoexpression suivante

3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM

Tout les coefficients sont constants et repreacutesentent des paramegravetres de la turbine eacuteolienne

utiliseacutee


Par simpliciteacute lrsquoeacutequation (33) est utiliseacutee pour valider la structure de puissance

proposeacutee La connaissance du rayon de pale de lrsquoeacuteolienne R et du rapport de vitesses

optimal λ est alors neacutecessaire

La vitesse de rotation du systegraveme est commandeacutee de faccedilon lineacuteaire et le signal de sortie

donne la reacutefeacuterence de tension pour la commande du convertisseur cascade La figure

314 montre le scheacutema bloc du systegraveme de commande proposeacute

PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v

Figure 314 Scheacutema bloc du systegraveme de commande de vitesse proposeacute

Un bloc drsquoaide agrave la commande (FF Speed Control) est ajouteacute agrave la commande lineacuteaire agrave

reacutegulateur PI pour ameacuteliorer la commande Celle-ci prend en compte le modegravele pour

calculer la tension aux bornes de la machine correspondant approximativement agrave la

vitesse de rotation deacutesireacutee pour le systegraveme (35)

rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU

ΨsdotΩsdotsdotasymprArr

asymp

ΨsdotΩsdot=Ψsdot=sdot=

ˆ

ˆ

ω (35)

UDC est la tension continue

ucircs est la tension alternative maximale du systegraveme en reacutegime sinusoiumldal

e est la valeur maximale de la force eacutelectromotrice (fem) du PMSG

Lrsquoapproximation reacutealiseacutee est que les tensions ucircs et e sont agrave peu pregraves eacutegales Lrsquoerreur

faite par ce calcul est compenseacutee gracircce agrave lrsquoaction inteacutegrale du reacutegulateur PI


Un bloc de saturation est ajouteacute afin drsquoeacuteviter un deacutepassement de la vitesse de rotation

nominale du systegraveme

Strateacutegie de commande pour les convertisseurs

Chaque convertisseur est commandeacute de faccedilon indeacutependante et compleacutementaire Pour

lrsquoasservissement de la tension une simple strateacutegie laquo feed-forward raquo est utiliseacutee

Une premiegravere partie est un seacutelecteur qui permet le fonctionnement compleacutementaire des

convertisseurs Pour cela la tension DC agrave la sortie du redresseur agrave diodes du systegraveme de

conversion est mesureacutee Cette tension est proportionnelle agrave la tension AC preacutesente aux

bornes de la machine qui est elle mecircme proportionnelle agrave la vitesse de rotation de la

machine agrave aimants permanents

Pour lrsquoasservissement de la tension DC les relations des tensions AC DC et de la

batterie sont prises en compte

SRDC uGV sdot=

DCDCDCDCBatt VDfVGU sdot=sdot= )( (36)

Le rapport de tension (ou gain de tension GDCDC) du convertisseur abaisseur (Buck) en

mode de conduction continue (mode courant continu) est donneacute par lrsquoeacutequation (37)

DV

V

i

o = (37)

Dans cette application un groupe de batteries maintient la tension de sortie agrave un niveau

fixe et le convertisseur est censeacute reacuteguler la tension DC selon les besoins du systegraveme de

conversion

Ainsi lorsque le convertisseur Boost ne sera pas en fonctionnement (le transistor reste

ouvert et la diode laisse passer le courant) en mode feed-forward la variable de

commande est simplement le rapport cyclique (38)


REFDC

BattBuck

V

VD = (38)

VBatt est la tension de batterie et la valeur de reacutefeacuterence de tension VDC REF est issue de la

commande de vitesse de la machine

Pour le convertisseur eacuteleacutevateur le gain en tension est

DV

V

i

o

minus=1

1 (39)

Lors du fonctionnement du Boost le convertisseur Buck reste hors de fonctionnement

(le transistor est fermeacute permettant au courant de passer vers la charge et la diode se

maintient ouverte)

En conseacutequence en mode feed-forward la variable de commande (le rapport cyclique)

est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)

La figure 315 montre le scheacutema de la commande proposeacutee pour le convertisseur

cascade et indique la reacutealisation du calcul du rapport cyclique pour chaque

convertisseur La reacutefeacuterence de tension pour le bus DC est compareacutee agrave la tension de

batterie pour deacuteterminer lrsquoeacutetat souhaiteacute pour le fonctionnement des convertisseurs Un

simple circuit numeacuterique complegravete la tacircche Une fonction AND est utiliseacutee pour la

commande du convertisseur eacuteleacutevateur car celui-ci fonctionne uniquement quand la

reacutefeacuterence de tension du bus DC est infeacuterieure agrave la tension de la batterie (action

drsquoeacuteleacutevation de tension DC vers la batterie) et quand lrsquoabaisseur fonctionne le transistor

du Boost doit rester ouvert La fonction OR permet de commander le convertisseur

Buck lorsque la tension redresseacutee est supeacuterieure agrave celle de la batterie (action de


reacuteduction de tension vers la batterie) et pour laisser fermeacute le transistor du Buck quand le

convertisseur eacuteleacutevateur marche

VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver

Figure 315 Diagramme bloc de la commande proposeacutee pour les convertisseurs

3225 Reacutesultats

Le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien a eacuteteacute simuleacute de faccedilon numeacuterique avec Simulinkcopy en

utilisant lrsquooutil PowerSymcopy de Matlab copy

La turbine eacuteolienne est modeacuteliseacutee par un systegraveme simple qui produit de la puissance

meacutecanique en fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation de lrsquoarbre La

boite de vitesse est repreacutesenteacutee par un simple gain eacutegal au rapport du multiplicateur

Le geacuteneacuterateur utiliseacute est un des modegraveles contenu dans lrsquooutil PowerSym

Pour des raisons de simpliciteacute et afin drsquoobserver correctement le comportement du

systegraveme le vent a eacuteteacute modeacuteliseacute comme une grandeur connue et maicirctrisable


Commande de la vitesse de rotation

Pour cette premiegravere partie le systegraveme convertisseur cascade plus batterie a eacuteteacute modeacuteliseacute

comme une source de tension commandeacutee agrave gain unitaire dont lrsquoentreacutee est le signal issu

du bloc de commande de vitesse La figure 316 indique lrsquoeacutevolution de la vitesse de

rotation du PMSG et permet de comparer la reacutefeacuterence (ligne bleue) et la vitesse de

rotation de la machine (ligne verte) lors des variations de vitesse du vent

La vitesse du vent est variable afin de passer drsquoun vent faible (3 ms) agrave des vitesses de

vent plus eacuteleveacutees (jusqursquoagrave 8 ms) et vice-versa Des vents plus forts ont eacuteteacute eacutecarteacutes car la

puissance optimale deacutepasse la puissance nominale du systegraveme

0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]

Figure 316 Vitesses de rotation de reacutefeacuterence et mesureacutee en simulation du systegraveme

eacuteolien

La commande lineacuteaire avec aide qui est proposeacutee ici permet de suivre la reacutefeacuterence de

vitesse pour que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien puisse produire le maximum de

puissance Un leacuteger deacutepassement causeacute par la dynamique de commande est observeacute La

premiegravere partie (jusqursquoaux 03 secondes) correspond seulement au transitoire de

deacutemarrage du systegraveme


Commande des Convertisseurs Application agrave Puissance Constante

Dans cette section les reacutesultats de la simulation numeacuterique du convertisseur cascade

utiliseacute pour une application de reacutegulation de puissance sont montreacutes et analyseacutes La

figure 315 montre les tensions (haut) et les courants (bas) agrave lrsquoentreacutee (lignes vertes) et agrave

la sortie (lignes bleues) du convertisseur cascade

0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]

Boost + Buck Converter Input - Output Characterist ics

0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]

Figure 317 Reacutesultats de simulation de la structure cascade proposeacutee pour une reacutefeacuterence

de puissance fixe

Selon la figure 317 en geacuteneacuteral la commande fournit une tension reacuteguleacutee agrave partir de la

tension variable drsquoentreacutee Lorsque la tension agrave lrsquoentreacutee du convertisseur devient trop

faible la commande essaye de maintenir la puissance et entraicircne une valeur eacuteleveacutee pour

le courant drsquoentreacutee du convertisseur ce qui perturbe la reacutegulation de la tension Il est

alors envisageable de faire une reacutegulation du courant lorsque la tension est trop faible agrave

lrsquoentreacutee

Lorsque la tension drsquoentreacutee est presque eacutegale agrave la tension de sortie il y a une reacutegion

deacutelicate de reacutegulation de tension Dans cette zone le rapport cyclique de lrsquoeacuteleacutevateur est

ajusteacute agrave 0 et celui de lrsquoabaisseur est reacutegleacute agrave 1 Comme le montre le reacutesultat de


simulation le fonctionnement pratique des convertisseurs pour ces valeurs extrecircmes des

rapports cycliques nrsquoest pas conforme agrave la theacuteorie Pour lever cette difficulteacute une

solution pourrait ecirctre de commander les deux convertisseurs agrave la fois creacuteant ainsi une

zone de reacutegulation avec une valeur de gain en tension proche de lrsquouniteacute Cependant la

stabiliteacute et les performances de cette solution restent agrave eacutetudier et agrave valider

Application agrave un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien

La structure complegravete turbine eacuteolienne ndash geacuteneacuterateur ndash convertisseur deacutedieacutee agrave une

application en site isoleacute pour la charge de la batterie est maintenant veacuterifieacutee par des

simulations numeacuteriques Les paramegravetres du systegraveme lieacutes agrave la commande sont reacutesumeacutes

dans le tableau 31

Pour des raisons de vitesse de la simulation numeacuterique la freacutequence de deacutecoupage fS

utiliseacutee est seulement de 5 kHz Dans la reacutealiteacute cette valeur peut ecirctre beaucoup plus

eacuteleveacutee gracircce aux semi-conducteurs aujourdrsquohui disponibles Ceci permettra aussi

drsquoutiliser des composants de convertisseurs (inductances et capacitances) plus petits

Les reacutesultats de la commande de vitesse sont preacutesenteacutes dans les figures 318 et 319 Un

premier test est reacutealiseacute pour un vent qui passe successivement de 3 agrave 4 ms puis agrave 5 ms

et un second pour lrsquoinverse Les variables eacutelectriques du systegraveme aussi sont preacuteciseacutees

pour ces mecircmes cas dans les figures 320 et 321

Tableau 31 Paramegravetres du systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien


Rayon de pale de la turbine eacuteolienne R = 18 m

Rapport de vitesses λ optimal de la turbine eacuteolienne λ = 68

Reacutesistance inductance flux des aimants et nombre de paires de

pocircles du geacuteneacuterateur agrave aimants permanents Rs = 09585 Ω Ls = 5 mH

Ψr = 01827 Wb

p = 4

Rapport de transformation de la boite de vitesses M = 307

Convertisseur Boost L = 5 mH C = 6microF

Convertisseur Buck L = 6 mH C = 33 microF

Tension de batterie Ubatt = 72 V

Commande Proportionnelle et Inteacutegrale KP = 02 τI = 1100


01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed

Figure 318 Vitesse de rotation du geacuteneacuterateur avec la structure proposeacutee pour des sauts

de vitesse du vent de 3 agrave 4ms puis de 4 agrave 5 ms

015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90


de vitesse du vent de 5 agrave 4 et de 4 agrave 3 ms


On peut observer des figures 318 et 319 que la commande lineacuteaire de la vitesse

associeacutee agrave la commande feed-forward des convertisseurs permet de suivre de faccedilon

correcte et rapide la reacutefeacuterence de vitesse induite par les sauts de vitesse de vent Le

deacutepassement lors drsquoune augmentation de la vitesse du vent est de lrsquoordre de 20

cependant lors drsquoune reacuteduction de la vitesse du vent ce deacutepassement est plus eacuteleveacute

environ 50 Ceci peut srsquoexpliquer par des dynamiques de haute freacutequence ou non

lineacuteaires que la commande ne peut pas surmonter Ce problegraveme peut ecirctre reacutesolu en

faisant un ajustement des paramegravetres de la commande lineacuteaire utiliseacutee

Quelques faibles oscillations de la vitesse sont remarquables en eacutetat stationnaire

cependant le temps de stabilisation est de lrsquoordre de quelques millisecondes Ceci

srsquoexplique par le modegravele sans inertie du systegraveme meacutecanique utiliseacute pour mieux observer

la reacuteponse du systegraveme eacutelectronique commandeacute qui reporte les ondulations de tension au

niveau de la vitesse de rotation

01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]

Figure 320 Tensions DC et AC courants du systegraveme de geacuteneacuteration pour des sauts de

vitesse du vent de 3 agrave 4 et de 4 agrave 5 ms


015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]



On peut observer lrsquoaction de la commande au niveau des tensions et des courants du

systegraveme (figures 320 et 321) elle arrive agrave asservir correctement la tension DC pour

modifier la vitesse de rotation de la machine ce qui est veacuterifieacute de la freacutequence des

signaux AC

Quelques faibles oscillations de la tension DC commandeacutee et du courant DC sont

remarquables elles sont plus marqueacutees pour les tensions faibles (dans ce cas pour une

vitesse de vent de 3 ms) Ceci srsquoexplique par lrsquoeffet du redressement des tensions et des

courants AC

Des oscillations du courant agrave la freacutequence de deacutecoupage sont observables pour une

vitesse du vent de 4 ms Ceci srsquoexplique par une zone ougrave la tension de reacutefeacuterence est

presque eacutegale agrave celle de la batterie ce qui implique un eacutetat OFF du convertisseur


eacuteleacutevateur pour un rapport cyclique trop faible (DBoost asymp 0) et lrsquoeacutetat ON de lrsquoabaisseur

pour un rapport cyclique trop eacuteleveacute (DBuck asymp 1) Cet effet nrsquoa pas drsquoinfluence sur lrsquoallure

de la tension DC obtenue Dans les zones de fonctionnement normal des convertisseurs

(rapport cyclique des convertisseurs entre 01 et 09) le courant reste bien reacuteguleacute

34 Conclusion

Les principales meacutethodes de commande et de reacutegulation aeacuterodynamique ont eacuteteacute

rassembleacutees et commenteacutees dans ce chapitre Lrsquoimportance du fonctionnement agrave vitesse

variable pour une exploitation optimale des structures de conversion associeacutee agrave

lrsquoasservissement de lrsquoeacutetat des machines eacutelectriques pour diffeacuterentes strateacutegies

aeacuterodynamiques dans les applications eacuteoliennes est eacutegalement indiqueacutee

Diffeacuterentes structures de puissance et de commande de systegravemes eacuteoliens de faible

puissance preacutealablement eacutetudieacutees et veacuterifieacutees par diffeacuterents auteurs sont aussi preacutesenteacutees

et commenteacutees Elles permettent de situer quelques donneacutees de reacutefeacuterence servant de

base pour proposer une nouvelle structure



isoleacute La veacuterification du systegraveme a eacuteteacute reacutealiseacutee par simulation numeacuterique Une

commande lineacuteaire de vitesse en boucle fermeacutee et une commande en boucle ouverte des

convertisseurs ont permis drsquoobtenir des reacutesultats qui prouvent la validiteacute du systegraveme

proposeacute pour reacutealiser et commander un geacuteneacuterateur eacutelectrique eacuteolien de faible taille

4 Meacutethode Analytique drsquoEvaluation des Pertes dans

les Convertisseurs de Puissance

Nomenclature

rD Reacutesistance interne de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)

VD Tension de seuil de la diode (V)

ID Courant moyen dans la diode (A)

iD RMS Courant efficace dans la diode (A)

pD Pertes par conduction dans la diode (W)

rT Reacutesistance interne du transistor agrave lrsquoeacutetat conducteur (Ω)

VT Tension de seuil du transistor (V)

IT Courant moyen dans le transistor (A)

iT RMS Courant efficace dans le transistor (A)

pT Pertes par conduction dans le transistor (W)

pR Pertes par conduction dans le redresseur (W)

D Rapport cyclique du convertisseur DCDC (hacheur) (-)

ton Dureacutee de la conduction du transistor (s)

toff Dureacutee du blocage du transistor (s)

IL Courant moyen en sortie du hacheur (A)

iL RMS Courant efficace en sortie du hacheur (A)

pdcdc Pertes par conduction dans le hacheur (W)

Im Courant maximal en reacutegime permanent en sortie du convertisseur (A)

M Profondeur de modulation imposeacutee agrave lrsquoonduleur (-)

ϕ Deacutephasage introduit par la charge de lrsquoonduleur (rad)

pdcac Pertes par conduction dans lrsquoonduleur (W)

psw Pertes par commutation dans le hacheur (W)


Vm Tension maximale deacutecoupeacutee par le hacheur (V)

tr Temps de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)

tf Temps de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)

IN Courant nominal en sortie du convertisseur (A)

trN Temps nominal de monteacutee du courant dans lrsquointerrupteur (s)

tfN Temps nominal de descente du courant dans lrsquointerrupteur (s)

trrN Temps nominal de recouvrement inverse (s)

QrrN Charge nominale en recouvrement inverse de la diode (C)

fs Freacutequence de deacutecoupage du convertisseur (Hz)

pc on Pertes par commutation (agrave lrsquoamorccedilage) (W)

pc off Pertes par commutation (agrave lrsquoextinction) (W)

prr Pertes par recombinaison (W)

41 Introduction

Selon la description faite dans le chapitre 1 de cette thegravese un systegraveme drsquoeacutenergie hybride

renouvelable (HRES) est un systegraveme de geacuteneacuteration composeacute au minimum de deux

sources drsquoeacutenergie dont lrsquoune au moins est drsquoorigine renouvelable Les applications

concernent par exemple le pompage de lrsquoeau le stockage de vaccins lrsquoeacutelectrification

rurale en particulier dans des lieux isoleacutes ougrave lrsquoaccession agrave lrsquoeacutenergie drsquoun reacuteseau est tregraves

coucircteuse ou mecircme impossible (Chedid et Rahman 1997 Borowy et Salameh 1994)

Avant de deacutecider lrsquoimplantation drsquoun systegraveme hybride renouvelable un

dimensionnement doit ecirctre meneacute afin drsquoestimer le coucirct de lrsquoeacutenergie produite dans des

conditions de fiabiliteacute raisonnables Il est geacuteneacuteralement important drsquoeacutevaluer les pertes

dans le geacuteneacuterateur diesel (DG) dans la turbine eacuteolienne dans les panneaux

photovoltaiumlques (PV) et dans les convertisseurs eacutelectroniques de puissance Cela permet

de preacuteciser la quantiteacute drsquoeacutenergie reacutecupeacuterable et la part fournie par chaque source Divers

auteurs ont traiteacute de lrsquoestimation des pertes dans les convertisseurs dans un large cadre

drsquoapplications mais pas speacutecifiquement dans le domaine des systegravemes drsquoeacutenergie

renouvelables Lrsquoobjectif se limite geacuteneacuteralement agrave dimensionner correctement

lrsquoeacutelectronique de puissance et les refroidisseurs associeacutes mais quelques travaux ont

Chapitre 4 ndash Meacutethode Analytique drsquoEvaluation de Pertes 115

neacuteanmoins eacuteteacute meneacutes dans le but drsquooptimiser lrsquoeacutenergie recueillie (Morales et Vannier

2004 montrent une approche iteacuterative dans la proceacutedure de dimensionnement laquelle

utilise des rendements constants)

Dans ce chapitre une nouvelle approche pour la deacutetermination des pertes dans les

convertisseurs eacutelectroniques de puissance est proposeacutee et eacutetudieacutee Les eacutequations sont

deacuteveloppeacutees en consideacuterant les caracteacuteristiques particuliegraveres drsquoun petit systegraveme de

geacuteneacuteration hybride renouvelable et son fonctionnement Un geacuteneacuterateur diesel (DG) une

turbine eacuteolienne (WT) des panneaux solaires photovoltaiumlques (PV) et un groupe de

batteries composent le systegraveme isoleacute La proceacutedure de dimensionnement prend en

compte les aspects eacuteconomiques de chaque uniteacute de production et la nature stochastique

des sources renouvelables Lrsquoestimation des pertes est incluse dans cette proceacutedure et

les reacutesultats sont compareacutes agrave une approche agrave rendement constant

La premiegravere partie de ce chapitre preacutecise les modegraveles deacuteveloppeacutes pour lrsquoestimation des

pertes par conduction dans les redresseurs les convertisseurs DCDC et DCAC ainsi

que les pertes par commutation dans les hacheurs et les onduleurs Des simulations

numeacuteriques baseacutees sur ces modegraveles ont eacuteteacute effectueacutees Les conclusions qui en deacutecoulent

sont preacutesenteacutees

Ces eacutequations obtenues sont utiliseacutees pour calculer lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme

de geacuteneacuteration hybride qui utilise tous les convertisseurs eacutelectroniques de puissance

eacutetudieacutes Ces reacutesultats sont compareacutes agrave ceux obtenus du dimensionnement du systegraveme

avec une approche agrave rendement constant

42 Meacutethode Proposeacutee

Nous allons preacutesenter une meacutethode purement analytique pour eacutevaluer les pertes par

conduction dans un redresseur triphaseacute par conduction et par commutation dans un

hacheur et dans un onduleur triphaseacute Le hacheur et lrsquoonduleur sont supposeacutes ecirctre

commandeacutes par modulation de largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM Pulse Width

Modulation)


421 Calcul des Pertes

En ce qui concerne le redresseur les pertes par commutation ne sont pas prises en

consideacuteration puisque neacutegligeables agrave la freacutequence de fonctionnement qui est celle du

reacuteseau (50 ou 60 Hz) Par contre les pertes par commutation dans le hacheur et dans

lrsquoonduleur sont eacutevidemment bien supeacuterieures agrave la freacutequence de deacutecoupage qui est la leur

et doivent ecirctre rajouteacutees aux pertes par conduction

4211 Pertes par Conduction dans les Diodes

Un modegravele de diode tregraves simplifieacute est utiliseacute pour eacutevaluer les pertes par conduction dans

les convertisseurs eacutelectroniques de puissance (Figure 41) Dans cette figure rD est la

reacutesistance de la diode agrave lrsquoeacutetat conducteur et VD est la tension de seuil agrave deacutepasser pour

que la diode entre en conduction Ces deux paramegravetres sont caracteacuteristiques de la diode

utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD

Figure 41 Modegravele de la diode pour le calcul des pertes par conduction

Il reacutesulte de ce modegravele que les pertes par conduction dans chaque diode sont calculables

agrave partir de la relation (41) ID est le courant moyen et ID RMS est le courant efficace dans

la diode

2

SRMDDDDdiode irIVp sdot+sdot= (4

1)

4212 Pertes par Conduction dans les Transistors

Des transistors sont neacutecessaires dans le MPPT des panneaux solaires (hacheur) et dans

lrsquoonduleur


Le modegravele tregraves simplifieacute de la diode est applicable aux transistors pour eacutevaluer leurs

pertes par conduction Il doit toutefois inclure un interrupteur (ideacuteal) en seacuterie avec les

autres eacuteleacutements afin de refleacuteter sa fonction premiegravere Ce modegravele peut ecirctre utiliseacute tant

pour les transistors MOSFET (Metal Oxyde Silicium Field Effet Transistor) que pour les

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Dans le cas des MOSFET la tension de seuil

est nulle Ainsi les pertes par conduction sont calculables agrave partir de lrsquoeacutequation (42) VT

est la tension de lrsquointerrupteur en conduction rT est la reacutesistance interne du transistor agrave

lrsquoeacutetat conducteur IT et iT RMS sont les valeurs moyenne et efficace du courant qui circule

par le transistor

2

SRMTTTTT irIVp sdot+sdot= (4

2)

4213 Pertes par Conduction dans le Redresseur

Selon lrsquoutilisation qui en est faite le pont de diodes impose agrave sa source alternative une

distorsion marqueacutee des courants ou des tensions Dans le cas drsquoun raccordement au

reacuteseau public par exemple les tensions sont imposeacutees agrave lrsquoentreacutee du pont et sont peu

affecteacutees par le fonctionnement de celui-ci si la charge du redresseur est plutocirct de

nature inductive (un filtre LC par exemple) les courants consommeacutes revecirctent une forme

rectangulaire si la charge est plutocirct capacitive (filtre C) les courants sont des

impulsions Cependant dans le cas qui nous inteacuteresse le pont de diodes est raccordeacute agrave

un geacuteneacuterateur alternatif inductif et deacutebite dans une batterie dont la tension ne peut varier

tregraves rapidement (Figure 42) dans ces conditions le pont de diodes consomme des

courants alternatifs drsquoallure sinusoiumldale (figure 43) mais impose au geacuteneacuterateur des

tensions en forme de creacuteneaux drsquoamplitude voisine de la tension du bus DC


D1

D4

VA iLA io

Figure 42 Pont redresseur triphaseacute raccordeacute agrave un geacuteneacuterateur inductif et agrave une batterie

iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io

Figure 43 Allure des courants dans un pont de diodes triphaseacute courant drsquoentreacutee iLA

(composeacute des courants iD1 et iD4) et courant de sortie Io

Des courants en forme drsquoarches de sinusoiumlde traversent les diodes du pont Pour eacutevaluer

les pertes de conduction avec (41) il est neacutecessaire de calculer la valeur moyenne et la

valeur efficace du courant dans chaque diode Agrave lrsquoaide de la figure 43 ces valeurs

peuvent srsquoexprimer en fonction du courant efficace iL en entreacutee ou en fonction du

courant moyen Io en sortie (43) et (44) Ces expressions ne sont valables que dans le

cadre de la conduction continue La figure 44 montre le courant sur une phase iLA

composeacutee des courants des diodes iD1 et iD4 et le courant de sortie DC Io


LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30

00 asymp===== intint πππωω

π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23

22 =sdotsdot== πππ

(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)

Toutes les diodes du pont eacutetant identiques et chacune eacutetant soumise agrave la mecircme forme de

courant que les autres les pertes globales dans le redresseur peuvent srsquoexprimer

simplement (six fois les pertes dans une diode) de diffeacuterentes maniegraveres (45) et (46)

( )266 DDDDdiodeR irIVpp sdot+sdotsdot=sdot=

2326

)( LDLDLR iriVip sdotsdot+sdotsdot=π

(4

5)

22

62)( oDoDoR IrIVIp sdotsdot+sdotsdot= π

(4

6)

4214 Pertes par Conduction dans le Hacheur

Lrsquoanalyse qui suit porte sur les pertes par conduction dans un convertisseur DCDC de

type hacheur comportant notamment un transistor sa diode de roue libre et une

inductance de lissage en sortie Le fonctionnement est supposeacute ecirctre le mode de

conduction continu le courant iL ne srsquointerrompt jamais dans lrsquoinductance (figure 44)

Durant le temps de conduction tON le transistor est parcouru par le courant iL durant le

temps de blocage tOFF crsquoest la diode qui conduit Le rapport cyclique de fonctionnement

est noteacute D La figure 44 montre la composition du courant iL le courant iT dans le


transistor et le courant iD dans la diode Les expressions des courants moyen et efficace

dans les semi-conducteurs se deacuteduisent de ces formes drsquoondes Les valeurs moyennes

des courants dans le transistor dans la diode et dans lrsquoinductance sont respectivement

noteacutees IT ID et IL Les valeurs efficaces sont respectivement noteacutees iT RMS iD RMS et iL

RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD

Figure 44 Formes drsquoonde en reacutegime permanent courant iL dans lrsquoinductance iT dans

le transistor et iD dans la diode durant deux cycles successifs

Les pertes par conduction ont lieu dans le transistor durant tON et dans la diode durant

tOFF Les expressions des courants moyens et efficaces (47) agrave (410) sont valables

quelle que soit lrsquoondulation du courant dans lrsquoinductance Elles permettent de

deacuteterminer les expressions (411) et (412) des pertes par conduction en utilisant (41) et

(42) Lrsquoexpression (413) des pertes globales par conduction srsquoen deacuteduit Cette derniegravere

expression des pertes globales fait intervenir la valeur efficace iL RMS du courant dans

lrsquoinductance laquelle est forceacutement supeacuterieure agrave la valeur moyenne IL agrave cause de

lrsquoondulation de ce courant Or le dimensionnement du convertisseur peut mener agrave des

ondulations quelconques Afin de simplifier lrsquoutilisation de nos modegraveles en limitant le

nombre de paramegravetres au strict minimum nous proposons lrsquoexpression (414) laquelle

correspond agrave un majorant des pertes globales dans le cadre de la conduction continue

lrsquoondulation crecircte agrave crecircte du courant dans lrsquoinductance est supposeacutee ecirctre le double de la

valeur moyenne (cela correspond agrave la limite entre conduction continue et conduction

discontinue) Un minorant peut ecirctre obtenu en remplaccedilant le coefficient 43 de

lrsquoexpression (414) par 1 (cela correspond agrave une ondulation crecircte agrave crecircte du courant qui

serait nulle dans lrsquoinductance)


T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)

RMSLRMST iDi sdot= (48)

( ) LD IDI sdotminus= 1 (49)

RMSLRMSD iDi 1 sdotminus= (410)

( )2RMSLTLTT irIVDp sdot+sdotsdot= (411)

( ) ( )21 RMSLDLDD irIVDp sdot+sdotsdotminus= (412)

( )( ) ( )( ) 2 11 RMSLDTLDTdcdc irDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (413)

( )( ) ( )( ) 2 1

3

41 LDTLDTdcdc IrDrDIVDVDp sdotsdotminus+sdot+sdotsdotminus+sdot= (414)

4215 Pertes par Conduction dans lrsquoOnduleur

Lrsquoonduleur destineacute au systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable peut ecirctre un pont

triphaseacute lequel permet de reacutegler agrave volonteacute lrsquoamplitude et la freacutequence de la tension

deacutelivreacutee (Figure 45) Afin que les filtres drsquoentreacutee et de sortie (non repreacutesenteacutes sur la

figure) soient relativement compacts et moins coucircteux la commande par modulation de

largeur drsquoimpulsion (MLI ou PWM) est supposeacutee ecirctre mise en œuvre La profondeur de

modulation est noteacutee M

En appelant D le rapport cyclique imposeacute au transistor supeacuterieur drsquoun bras de pont

celui-ci eacutevolue au cours du temps et deacutepend de la profondeur M de modulation par la

relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io

Figure 45 Circuit de puissance de lrsquoonduleur triphaseacute

Dans cette expression f correspond agrave la freacutequence souhaiteacutee au niveau de la charge

Cette freacutequence est supposeacutee largement infeacuterieure agrave la freacutequence de deacutecoupage Une

telle commande megravene agrave une laquo eacutevolution moyenne raquo drsquoallure sinusoiumldale de la tension au

point milieu du bras (par rapport agrave la borne ndash de la source drsquoalimentation continue)

DVv DC sdot=

Seule la composante alternative est utile agrave la charge de lrsquoonduleur (416)

)2sin(2

)( tfM

Vtv DCac πsdotsdot= (416)

Il en reacutesulte une laquo eacutevolution moyenne raquo du courant en sortie du bras deacutephaseacutee par

rapport agrave la tension drsquoun angle φ agrave cause de la charge

)2sin()( ϕπ minussdot= tfIti m (417)

Le transistor supeacuterieur du bras consideacutereacute est conducteur peacuteriodiquement (agrave la freacutequence

de deacutecoupage) avec un rapport cyclique D variable uniquement lorsque le courant i est

positif cest-agrave-dire pour 2πft compris entre φ et φ + π La diode infeacuterieure du mecircme

bras est conductrice avec un rapport cyclique 1 ndash D uniquement lorsque le courant i est

neacutegatif Par inteacutegration entre les bornes φ et φ + π pour le transistor supeacuterieur entre les

bornes φ + π et φ + 2π pour la diode infeacuterieure il est possible de deacuteterminer les


expressions analytiques des valeurs moyennes et efficaces des courants dans chacun des

composants et par suite les expressions (418) et (419) des pertes par conduction Ces

eacutequations sont aussi proposeacutees par Bierhoff et Fuchs (2004)

Tous les transistors eacutetant identiques et chacun eacutetant soumis agrave la mecircme forme de courant

que les autres de mecircme en ce qui concerne les diodes les pertes globales dans

lrsquoonduleur peuvent srsquoexprimer simplement (six fois les pertes dans un transistor et une

diode) par la relation (420)

++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)

422 Pertes par Commutation

Les pertes par commutation (switching losses) se produisent pendant que les semi-

conducteurs de puissance passent de lrsquoeacutetat de conduction (ON) agrave celui de blocage (OFF)

et inversement Diverses techniques de laquo commutation douce raquo permettent de reacuteduire

consideacuterablement les pertes par commutation mecircme agrave freacutequence eacuteleveacutee mais sont

relativement peu exploiteacutees pour des raisons essentiellement eacuteconomiques Elles se

retrouvent plutocirct dans des applications laquo embarqueacutees raquo car elles permettent un

fonctionnement agrave freacutequence tregraves eacuteleveacutee favorable agrave la reacuteduction des poids et

encombrements Nous retiendrons la laquo commutation dure raquo rustique mais classique

Les pertes par commutation sont toujours proportionnelles agrave la freacutequence de deacutecoupage

Or la freacutequence de deacutecoupage drsquoun convertisseur doit ecirctre choisie suffisamment eacuteleveacutee

pour que les composants passifs soient moins coucircteux et moins volumineux drsquoougrave

lrsquoutilisation drsquoune commande par modulation de largeur drsquoimpulsion Le choix de la

freacutequence de deacutecoupage reacutesulte donc drsquoun compromis entre les pertes par commutation

et lrsquoencombrement du convertisseur


Sachant que ce compromis megravene toujours agrave des pertes par commutation non

neacutegligeables par rapport aux pertes par conduction nous avons rechercheacute les

expressions analytiques de ces pertes dans le hacheur et dans lrsquoonduleur

4221 Pertes par Commutation dans le Hacheur

Avant tout il faut preacuteciser la technologie compte tenu de la tension viseacutee de lrsquoordre de

quelques dizaines de volts le choix du transistor doit se porter sur un MOSFET (le plus

rapide) et la diode de roue libre doit ecirctre de type Schottky (pas de recouvrement inverse

et tension de seuil minimale) Dans ces conditions la diode peut ecirctre consideacutereacutee comme

ideacuteale pendant les commutations Les pertes sont ainsi minimiseacutees dans le transistor et

ne deacutependent que des temps de commutation tr et tf de celui-ci La relation classique

(421) fait intervenir une seule composante du courant dans lrsquoinductance sa valeur

moyenne IL ce qui suppose que lrsquoondulation soit relativement faible ou que les temps tr

et tf soient du mecircme ordre de grandeur (ce qui est le cas pour des MOSFET) Cette

relation neacuteglige eacutegalement les temps de monteacutee et de descente de la tension aux bornes

des transistors (tr et tf ne sont relatifs qursquoau courant et cette approximation se justifie

assez bien expeacuterimentalement) Vm repreacutesente la tension maximale commuteacutee IL est le

courant moyen dans lrsquoinductance fS est la freacutequence de deacutecoupage

( )frsLmsw ttfIVp +=2

1 (421)

4221 Pertes par Commutation dans lrsquoOnduleur

Compte tenu de lrsquoapplication les niveaux de tension sont bien supeacuterieurs agrave ceux du cas

preacuteceacutedent il faut que la tension continue appliqueacutee en entreacutee de lrsquoonduleur triphaseacute soit

au moins eacutegale agrave 660 V pour que la tension efficace entre phases puisse ecirctre de 400 V

Des IGBT srsquoimposent donc ainsi que des diodes rapides agrave jonction PN Les transistors

sont donc relativement lents et le recouvrement inverse des diodes doit ecirctre pris en

compte La bibliographie fait eacutetat de diffeacuterents travaux visant agrave modeacuteliser les pertes par

commutation dans un onduleur agrave IGBT Nous avons utiliseacute lrsquoarticle de Casanellas


(1994) qui est une approche analytique simple baseacutee sur lrsquoexpeacuterimentation Cette

approche suppose que le courant soit sinusoiumldal en sortie de lrsquoonduleur et ne prend en

consideacuteration que les paramegravetres essentiels la tension continue maximale Vm le

courant AC maximal Im le courant AC nominal IN la freacutequence de commutation fS les

temps de monteacutee et de descente trN et tfN relatifs aux transistors (dans les conditions

nominales) Pour les diodes il est eacutegalement neacutecessaire de connaicirctre les valeurs

nominales du temps de recouvrement inverse trrN et de la charge recouvreacutee QrrN Les

pertes dues agrave la mise en conduction sont noteacutees Pc ON les pertes relatives au blocage

sont noteacutees Pc OFF les pertes lieacutees au recouvrement inverse sont noteacutees Prr Les pertes

par commutation globales dans lrsquoonduleur correspondent agrave la somme de ces trois

derniegraveres puissances

srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats

Nous allons maintenant preacutesenter la validation des eacutequations eacutetablies preacuteceacutedemment en

les utilisant pour eacutevaluer les caracteacuteristiques de diffeacuterents convertisseurs puis en

simulant le fonctionnement de ces derniers agrave lrsquoaide de MATLAB agrave fin de comparaison

Les valeurs caracteacuteristiques des diodes et des transistors sont obtenues agrave partir de la

documentation des constructeurs


431 Pertes dans le Redresseur

Le redresseur est composeacute de six diodes connecteacutees en pont triphaseacute Le calcul des

pertes et du rendement est deacutetailleacute dans ce qui suit pour deux cas de diodes de puissance

(Standard Recovery (rectifier) Diode) la diode 6F(R) et la diode 10ETS08 du fabricant

INTERNATIONAL RECTIFIER (IR) Les paramegravetres les plus importants sont reacutesumeacutes dans

le tableau 41

Tableau 41 Principaux paramegravetres des diodes du redresseur

Diode Standard

Paramegravetre 6F(R) 10ETS08 Resistance en conduction (rD) 157 mΩ 20 mΩ Tension seuil (VD) 086 V 082 V Courant moyen maximal (IFSM) 6 A 10 A Tension de blocage maximale (VRRM) 800 V 800 V

Pour ce cas eacutetudieacute ici lrsquoeacutequation utiliseacutee est la (45) pour estimer uniquement les pertes

par conduction dans le redresseur car sur la plage des freacutequences de fonctionnement et

de puissances utiliseacutees les autres pertes restent neacutegligeables par rapport agrave celles-ci La

tension de sortie est fixeacutee agrave 50 V le courant du redresseur prend des valeurs sur toute

sa plage de variation Le courant alternatif maximal est de 13 A car pour ce niveau de

courant nominal le courant direct maximal est atteint dans les diodes Les figures 46 et

47 montrent les reacutesultats de simulation pour chaque cas

Comme attendu les pertes pour les deux cas eacutevoluent de maniegravere quadratique en

fonction de lrsquointensiteacute des courants Les pertes commencent agrave une valeur nulle puis

commencent agrave monter de faccedilon quadratique jusqursquoagrave une valeur maximale obtenue agrave

courant nominal

Pour la courbe de rendement on observe dans les deux cas une allure rectiligne de

pente neacutegative Ceci peut srsquoexpliquer simplement de la faccedilon suivante

iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp

sdotsdotminus=minus== 111

2

η


Donc comme R k et V sont fixes une droite de pente neacutegative est obtenue quand i

augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]

Figure 46 Evaluation des pertes du redresseur en fonction du courant puissance

drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 6F(R)

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]


drsquoentreacutee de sortie et rendement Diode 10ETS08


En gardant la mecircme hypothegravese sur la nature des pertes il est possible de connaicirctre le

rendement des convertisseurs pour diffeacuterents composants et de les comparer comme il

est proposeacute dans la figure 48

Pour le cas des diodes 10ETS08 on voit que le rendement du convertisseur est plus

eacuteleveacute que celui utilisant les diodes 6F(R) car les premiegraveres sont conccedilues pour des

courants plus forts (10 A contre 6 A) Neacuteanmoins au fur et agrave mesure que la charge

augmente la diffeacuterence entre les deux rendements est moins importante Ceci est lieacute agrave

lrsquoaugmentation de la composante des pertes quadratiques des diodes qui permet aux

diodes 6F(R) (rD = 157 mΩ et VD = 086 V) de preacutesenter des pertes totales semblables agrave

celles des diodes 10ETS08 (rD = 20 mΩ et VD = 082 V)

0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08

Figure 48 Comparaison des pertes et des rendements des deux cas eacutetudieacutes


432 Pertes du Hacheur

Le hacheur est un convertisseur eacutelectronique de puissance qui modifie le niveau drsquoune

tension continue pour creacuteer un autre niveau de tension continue (convertisseur DC) Les

applications pouvant aller de lrsquoasservissement de machines agrave la reacutegulation de tension

DC ou pour charger une batterie Il est composeacute drsquoau moins un transistor et une diode

de puissance et peut ecirctre commandeacute par MLI Ceci signifie qursquoil existe des pertes tant

lors de la circulation du courant dans les semi-conducteurs que pendant les transitions

entre les eacutetats de blocage et drsquoamorccedilage des dispositifs

La puissance tension et courant transfeacutereacutes (600 W 50 V 12 A) par les convertisseurs

DCDC utiliseacutes pour cet exemple sont assez faibles ce qui permet drsquoutiliser la

technologie MOS pour le transistor et Schottky pour la diode Les paramegravetres utiliseacutes

pour le calcul des pertes par conduction des semi-conducteurs sont reacutesumeacutes dans le

tableau 42


TransistorDiode

La premiegravere analyse reacutealiseacutee fut la veacuterification des eacutequations de pertes par conduction

drsquoune paire transistor-diode utiliseacutee dans un circuit de puissance Cette simple analyse

fut reacutealiseacutee pour la paire constitueacutee du transistor MOSFET IRL3615 avec la diode

Schottky 12CWQ10FN en fonction du rapport cyclique pour un courant de sortie

constant La figure 49 montre les pertes de conduction du transistor de la diode et pour

lrsquoensemble des deux

Tableau 42 Principaux paramegravetres du transistor et de la diode du hacheur

Paramegravetre MOSFET

IRLI3615 Diode Schottky 12CWQ10FN

Resistance en conduction (rD) 85 mΩ 207 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 065 V Courant moyen maximal (IFSM) 14 A 12 A Tension de blocage maximale (VRRM) 150 V 100 V


0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]

Figure 49 Evaluation des pertes drsquoune paire transistor-diode en fonction du rapport

cyclique pour une application agrave courant fixe pertes du transistor IRL3615 (ligne en

tirets) pertes de la diode 12CWQ10FN (ligne pointilleacutee) et des deux semi-conducteurs

Les pertes dans le transistor montent agrave partir drsquoune valeur nulle agrave D = 0 de faccedilon

presque lineacuteaire jusqursquoagrave sa valeur maximale lorsque D = 1 Par ailleurs agrave lrsquoinverse les

pertes pour la diode partent de leur valeur maximale agrave D = 0 pour srsquoannuler quand D =

1 Entre D = 04 et D = 05 les pertes par conduction pour les deux semi-conducteurs

srsquoeacutegalisent

Les pertes par conduction dans le transistor srsquoeacutelegravevent de faccedilon plus importante que la

reacuteduction des pertes dans la diode quand le rapport cyclique augmente Ainsi les pertes

par conduction totales partent de leur valeur minimale (eacutegale aux pertes maximales de la

diode) pour D = 0 jusqursquoagrave la valeur maximale des pertes du transistor agrave D = 1


Cascade des Convertisseurs Boost et Buck

Une autre faccedilon drsquoeacutevaluer lrsquoeacutequation (414) est de comparer les pertes dans les semi-

conducteurs de deux convertisseurs eacutelectroniques de puissance Dans ce cas deux

convertisseurs abaisseur-eacuteleacutevateurs DCDC sont compareacutes Il srsquoagit de la structure buck-


boost classique et drsquoun convertisseur cascade qui utilise un convertisseur eacuteleacutevateur

(Boost) agrave lrsquoentreacutee et un convertisseur abaisseur (Buck) agrave la sortie

Les figures 410 et 411 montrent les circuits de puissance des deux convertisseurs

analyseacutes Lrsquoanalyse fut reacutealiseacutee par rapport agrave la variation de la tension drsquoentreacutee

supposant une commande qui maintient fixe la puissance de sortie des convertisseurs

Le circuit cascade Boost+Buck est constitueacute de deux paires transistor-diode dont le

fonctionnement est strictement compleacutementaire cest-agrave-dire si une eacuteleacutevation de tension

de sortie par rapport agrave lrsquoentreacutee est neacutecessaire le convertisseur Boost reacutealise seul

lrsquoeacuteleacutevation tandis que le Buck maintient son transistor fermeacute sans aucune modulation Si

lrsquoinverse est neacutecessaire le transistor du Boost reste toujours ouvert et crsquoest le

convertisseur Buck qui reacutealise la reacuteduction de tension Ninomiya et al (1995) font une

analyse de stabiliteacute de cette structure pour une application de correcteur de facteur de

puissance avec reacutegulation de la tension de sortie

L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +

Figure 410 Circuit de puissance du convertisseur cascade Boost + Buck

C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash

Figure 411 Circuit de puissance du convertisseur Buck-Boost


Ce fonctionnement compleacutementaire entraicircne que le transistor du Buck reste fermeacute lors

de lrsquoeacuteleacutevation de la tension pour permettre au courant du Boost drsquoarriver au filtre de

sortie ou que la diode du Boost reste en conduction pour permettre la reacuteduction de

tension du Buck et le passage du courant Ceci a pour conseacutequence que les pertes dans

ces semi-conducteurs doivent srsquoajouter aux pertes des convertisseurs lors des modes

correspondants

Les pertes par conduction des deux convertisseurs sont estimeacutees avec lrsquoeacutequation (414)

Pour eacutevaluer les pertes par commutation des circuits avec lrsquoeacutequation (421) les valeurs

des paramegravetres utiliseacutes sont freacutequence de commutation fs = 100 kHz temps

drsquoamorccedilage du transistor tr = 30 ns et temps drsquoextinction du transistor tf = 53 ns Les

valeurs des temps de changement drsquoeacutetat pour la diode Schottky sont neacutegligeables par

rapport agrave ceux du transistor

La figure 412 reacutesume toutes les pertes des semi-conducteurs en fonction de la tension

drsquoentreacutee des convertisseurs Les pertes sont montreacutees par convertisseur Les deux

premiegraveres fenecirctres reacutesument les pertes du convertisseur cascade (Boost+Buck) et la

troisiegraveme fenecirctre montre les pertes du convertisseur Buck-Boost Les pertes par

conduction des transistors sont traceacutees en ligne en tirets bleu les pertes par conduction

des diodes sont en ligne pointilleacutee verte la somme de ces pertes (addition des pertes

transistor et diode) sont en x rouges les pertes par commutation sont en ligne bleu clair

en tirets et pointilleacutee et les pertes totales des semi-conducteurs (addition des

anteacuterieures) sont en ligne magenta

Avec le convertisseur cascade on peut constater que pour les valeurs de la tension

drsquoentreacutee plus faibles que celles de la tension de sortie (tension de batterie agrave 50 V) les

pertes constantes (croix de la premiegravere fenecirctre) correspondent agrave la fermeture du

transistor dans le convertisseur abaisseur (Buck) et au courant agrave travers celui-ci lequel

est toujours eacutegal au courant de sortie cibleacute qui lui aussi est constant Les pertes dans le

convertisseur eacuteleacutevateur (Boost) et pour le convertisseur Buck-Boost sont eacuteleveacutees agrave basse

tension et diminuent agrave mesure que la tension drsquoentreacutee augmente Ceci srsquoexplique par la

diminution de la valeur du courant requis En raison de lrsquoapplication agrave puissance


constante le courant drsquoentreacutee diminue quand la tension augmente et donc les pertes

dans lrsquoeacutetage drsquoentreacutee srsquoaffaiblissent aussi

Quand la tension drsquoentreacutee deacutepasse la valeur de la tension de sortie lrsquoeacutetage Boost du

convertisseur cascade est hors de fonctionnement (le transistor est ouvert et la diode

laisse passer tout le courant requis par le convertisseur Buck) Les pertes diminuent dans

le convertisseur eacuteleacutevateur (croix de la deuxiegraveme fenecirctre) car le courant drsquoentreacutee se reacuteduit

agrave mesure que la tension drsquoentreacutee monte De mecircme les pertes dans le Buck et ou dans le

convertisseur Buck-Boost diminuent selon la reacuteduction du courant drsquoentreacutee

20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total

Figure 412 Pertes dans les convertisseurs en fonction de la tension drsquoentreacutee


Les figures 413 et 414 indiquent lrsquoeacutevolution des pertes respectivement par conduction

et par commutation pour les deux convertisseurs La figure 415 montre dans la fenecirctre

du haut les pertes totales des semi-conducteurs dans les convertisseurs et dans la fenecirctre

du bas le rendement des convertisseurs en consideacuterant uniquement les pertes dans les

semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost

Figure 413 Pertes par conduction dans les semi-conducteurs des convertisseurs en

fonction de la tension drsquoentreacutee

10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost

Figure 414 Pertes par commutation dans les semi-conducteurs des convertisseurs


10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

Figure 415 Pertes totales dans les semi-conducteurs et rendement des convertisseurs en

neacutegligeant les autres pertes

On peut remarquer que les pertes par conduction comme les pertes par commutation

dans le convertisseur cascade sont moins importantes que celles du convertisseur Buck-

Boost pour toutes les valeurs de la tension drsquoentreacutee Ceci srsquoexplique principalement par

le fait que les semi-conducteurs du convertisseur Buck-Boost doivent supporter

lrsquoaddition de la tension drsquoentreacutee et de sortie (VTmax = VDmax = Vi + Vo) pour chacun des

eacutetats de conduction De plus un courant plus eacuteleveacute traverse chaque semi-conducteur

pour un mecircme courant de sortie ou drsquoentreacutee Pour le convertisseur Buck-Boost IT = Ii

et ID = Io alors que pour le Boost (agrave lrsquoentreacutee) IT = DmiddotIi et pour le Buck (agrave la sortie) ID =

(1ndashD)middotIo ainsi seule une fraction des courants traverse les semi-conducteurs pour le

convertisseur cascade

De plus pour des MOSFET la reacutesistance RDS ON suit une relation non-lineacuteaire (Buttay

2004) avec la tension de blocage agrave tenir par les transistors Sa valeur tend agrave augmenter

avec la tension de blocage (effet non consideacutereacute dans cette analyse) lrsquoeffet

drsquoaugmentation des pertes pour des valeurs identiques de courants srsquoaccentue donc pour

le cas du convertisseur Buck-Boost


En raison des pertes plus eacuteleveacutees du convertisseur Buck-Boost le rendement est

nettement plus bas que celui du convertisseur cascade Boost + Buck proposeacute Cette

diffeacuterence se reacuteduit avec les valeurs les plus hautes de la tension drsquoentreacutee en raison de la

diminution du courant A mesure que la tension drsquoentreacutee augmente les pertes sont

moins importantes donc le rendement srsquoameacuteliore pour les deux cas Il tend vers des

valeurs asymptotiques de 94 pour le Buck-Boost et de 96 pour le convertisseur

cascade

433 Pertes de lrsquoOnduleur

Pour appliquer les eacutequations (418) - (420) nous choisissons un onduleur triphaseacute pont

complet source de tension Les semi-conducteurs utiliseacutes sont le CoolMOS Power

Transistor SPP11N80C3 avec diode en antiparallegravele interne (800V 11 A) Lrsquoobjectif est

alors drsquoobtenir une puissance de 5 kW sous une tension AC fixe de 220 V 50 Hz La

charge est supposeacutee lineacuteaire et avec une composante inductive (cosϕ de 075) La

freacutequence de deacutecoupage utiliseacutee pour les commutations est de 15 kHz Les reacutesultats sont

reacutesumeacutes ci-apregraves ils ont eacuteteacute obtenus en fonction de la puissance demandeacutee au

convertisseur Dans le tableau 43 se trouvent les paramegravetres utiliseacutes pour utiliser les

eacutequations des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur

Tableau 43 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur MOSFETndashdiode de lrsquoonduleur


SPP11N80C3 Diode (interne)

Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 045 Ω 40 mΩ Tension seuil (VD) 0 V 08 V Courant moyen maximal (ID) 11 A 11 A Tension de blocage maximale (VDS) 800 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 15 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 7 ns Temps de Recouvrement (trrN) 550 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 10 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 33 A


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching

Figure 416 Evaluation des pertes de conduction et des pertes de commutation pour

lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la puissance

deacutelivreacutee agrave la charge

Des reacutesultats de la figure 416 on peut observer la forme quadratique des pertes par

conduction en fonction de la puissance Ceci srsquoexplique par la tension AC fixe agrave la

sortie de lrsquoonduleur Avec lrsquoaugmentation de la puissance demandeacutee le courant

augmente proportionnellement les pertes eacutevoluent principalement selon le carreacute de la

valeur du courant deacutebiteacute par lrsquoonduleur La partie plus importante de ces pertes vient de

la forte valeur du RDS ON des MOS

Les pertes par commutation sont reporteacutees dans la fenecirctre du bas de la figure 416 Elles

partent drsquoune valeur initiale avec les pertes agrave vide et puis montent de faccedilon lineacuteaire avec

la puissance Il est inteacuteressant de constater que presque la totaliteacute de ces pertes provient

des pertes par recouvrement de la diode interne du MOS


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Figure 417 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs et rendement de

lrsquoonduleur triphaseacute agrave MOSFET SPP11N80C3 en fonction de la charge deacutelivreacutee

Les pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur sont preacutesenteacutees dans la premiegravere

fenecirctre de la figure 417 Ici les pertes par commutation sont plus importantes que

celles par conduction Le rendement en fonction de la puissance est montreacute dans la

deuxiegraveme fenecirctre de la figure Cette forme exponentielle srsquoexplique par la valeur eacuteleveacutee

des pertes par commutation agrave des valeurs de courant faibles (pertes agrave vide importantes agrave

faible puissance) Elles augmentent dans une proportion moins importante avec

lrsquoeacuteleacutevation de la puissance ce qui ameacuteliore le rendement du convertisseur

Une comparaison avec une structure agrave IGBT a eacuteteacute reacutealiseacutee Toutes les conditions de

fonctionnement sont les mecircmes que pour le cas preacuteceacutedemment eacutetudieacute Le transistor

choisi est le Fast IGBT SKW15N120 (1200 V 15A) qui a aussi une diode en

antiparallegravele interne Le tableau 44 reacutesume les paramegravetres utiliseacutes pour lrsquoeacutevaluation des

pertes dans lrsquoonduleur Les reacutesultats sont montreacutes dans les figures 418 et 419 Pour les

comparaisons les reacutesultats des pertes par conduction par commutation et totales des

semi-conducteurs pour le cas avec le MOS sont reporteacutees en ligne noire en tirets et

pointilleacutee


Tableau 44 Principaux paramegravetres de lrsquointerrupteur IGBTndashdiode de lrsquoonduleur

Paramegravetre IGBT

SKW15N120 Diode (interne)

Conditions de conduction Resistance en conduction (rD) 75 mΩ 40 mΩ Tension seuil (VD) 20 V 08 V Courant moyen maximal (IC IF) 15 A 11 A Tension de blocage maximale (VCE) 1200 V 800 V Conditions de commutation Temps drsquoAmorccedilage du transistor (trN) 30 ns Temps drsquoExtinction du transistor (tfN) 31 ns Temps de Recouvrement (trrN) 200 ns Charge de Recouvrement (QrrN) 2 microC Courant Maximal de Recouvrement (Irrm) 23 A

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter


lrsquoonduleur triphaseacute composeacute de 6 IGBT SKW15N120 en fonction de la puissance

deacutelivreacutee agrave la charge Comparaison avec lrsquoonduleur agrave MOSFET anteacuterieur


Au niveau des pertes par conduction on peut observer que ces pertes sont agrave nouveau

tregraves deacutependantes des paramegravetres du transistor mais comme la reacutesistance eacutequivalente de

lrsquoIGBT a une valeur plus petite lrsquoeacutevolution quadratique des pertes est moins prononceacutee

que pour le cas preacuteceacutedent Lrsquoeffet de la tension de seuil de lrsquoIGBT est tregraves sensible avec

les faibles valeurs de la puissance les pertes par conduction sont alors supeacuterieures agrave

celle de lrsquoonduleur agrave MOSFET Au delagrave de 2500 W lrsquoeffet de la reacutesistance du MOS fait

que ces pertes sont supeacuterieures agrave celles de lrsquoonduleur agrave IGBT

Pour les pertes par commutation dans la figure 418 ces pertes viennent aussi presque

uniquement du recouvrement de la diode en antiparallegravele Cependant comme cette

diode a des paramegravetres de recouvrement plus favorables que celles du MOS preacuteceacutedent

les pertes par commutation sont beaucoup moins importantes pour lrsquoonduleur agrave IGBT

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total

Figure 419 Valeurs totales des pertes dans les semi-conducteurs de lrsquoonduleur triphaseacute

et son rendement en fonction de la charge deacutelivreacutee Comparaison avec lrsquoonduleur agrave

MOSFET


Pour le cas de lrsquoonduleur agrave IGBT il est aussi observable que en geacuteneacuteral les pertes par

commutation (ligne verte pointilleacutee de la figure 419) sont supeacuterieures agrave celles par

conduction (ligne bleue en tirets) Ainsi avec des pertes par commutation beaucoup

moins importantes et des pertes par conduction infeacuterieures au dessus de 50 de la

charge totale les pertes totales des semi-conducteurs dans lrsquoonduleur agrave IGBT sont

consideacuterablement infeacuterieures agrave celle du cas de lrsquoonduleur agrave MOSFET pour les

conditions choisies La courbe de rendement montre donc des valeurs supeacuterieures avec

lrsquoonduleur agrave IGBT dans tout le rang de puissance de lrsquoonduleur

44 Application Evaluation des Pertes drsquoun Systegraveme

Hybride

Les eacutequations obtenues sont utiles aussi pour veacuterifier les pertes dans un systegraveme plus

complexe comme pour un systegraveme hybride ougrave plusieurs sources de puissance peuvent

srsquoassembler pour fournir de lrsquoeacutelectriciteacute Dans la suite les eacutequations sont utiliseacutees pour

eacutevaluer les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme hybride Les reacutesultats sont

compareacutes agrave une approche agrave rendement constant

441 Description du Systegraveme

Les sources drsquoeacutenergie (lrsquoeacuteolienne les panneaux PV et le DG) sont tous raccordeacutees au

bus DC du systegraveme le geacuteneacuterateur Diesel (DG) et lrsquoeacuteolienne utilisent un simple pont agrave

diodes et les panneaux PV sont associeacutes agrave un convertisseur DCDC muni de la fonction

de MPPT (Maximum Power Point Tracker) La batterie a la fonction de stocker le

surplus drsquoeacutenergie et drsquoecirctre un appui eacutenergeacutetique lorsque les conditions de production

sont faibles Un onduleur transfegravere agrave partir du DC Bus la puissance solliciteacutee par la

charge Le scheacutema du systegraveme est montreacute dans la figure 420

Il y a deux transformateurs de puissance dans le systegraveme Le premier est un abaisseur de

tension qui relie le DG agrave son redresseur Lrsquoautre se connecte agrave la sortie du coteacute alternatif

(AC) de faible tension de lrsquoonduleur et fait remonter cette tension pour atteindre la


valeur nominale de fonctionnement de la charge Comme ces transformateurs

fonctionnent agrave une tension relativement faible et de faible freacutequence les pertes de

puissance dans le fer du noyau magneacutetique sont neacutegligeacutees Comme les pertes dans le

cuivre sont seules consideacutereacutees les transformateurs sont modeacuteliseacutes comme de simples

impeacutedances RL en seacuterie

La charge est sous une tension AC nominale de 220 V 50 Hz et il en est de mecircme

pour le DG Les interrupteurs commandeacutes des convertisseurs eacutelectroniques sont des

MOSFET La freacutequence de commutation utiliseacutee pour le fonctionnement des

convertisseurs PMW est de 20 kHz ainsi le bruit audible est annuleacute avec des niveaux

minimaux de pertes de commutation et drsquoeacutemissions eacutelectromagneacutetiques Pour des

raisons de seacutecuriteacute la tension de batterie qui est aussi la tension du bus continu (DC)

est maintenue agrave 48 V Pour eacuteviter les effets nuisibles des harmoniques dans la charge

un filtre passif est connecteacute agrave la sortie de lrsquoonduleur Ce filtre est consideacutereacute comme

ideacuteal donc libre de pertes

G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load

Figure 420 Systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable avec bus DC

442 Proceacutedure de Dimensionnement des Uniteacutes

La meacutethode pour faire un choix eacuteconomique de chaque uniteacute de production est baseacutee sur

la minimisation du coucirct total du systegraveme Ceci implique une analyse eacuteconomique sur

toute la vie utile du projet Une proceacutedure suppleacutementaire pour dimensionner la batterie

et le DG est utiliseacutee


Pour eacutevaluer la qualiteacute de la conception un logiciel de simulation est speacutecialement

deacuteveloppeacute Pour calculer le flux horaire drsquoeacutenergie les modegraveles matheacutematiques pour

lrsquoeacuteolienne et les panneaux solaires sont utiliseacutes Les donneacutees de vitesse du vent et

drsquoirradiation solaire sont neacutecessaires pour calculer lrsquoeacutenergie totale produite par les

moyens renouvelables (eacuteolienne et panneaux PV) Leur fonction de distribution de

probabiliteacute (PDF) caracteacuterise le comportement de ces variables

Un pas important de la proceacutedure de dimensionnement est le calcul de lrsquoeacutenergie non

fournie (ENS) Dans cette eacutetape une estimation correcte des pertes eacutenergeacutetiques du

systegraveme est un point cleacute

Plus de deacutetail sur la meacutethode de dimensionnement des uniteacutes se trouve dans (Morales et

Vannier 2004)

443 Evaluation des Pertes du Systegraveme Hybride

Lrsquoapproche proposeacutee pour le calcul des pertes eacutenergeacutetiques est testeacutee avec un systegraveme

de geacuteneacuteration hybride deacutejagrave dimensionneacute La meacutethodologie est compareacutee sur une base

horaire avec une approche agrave rendement constant agrave travers un logiciel de simulation

speacutecialement deacuteveloppeacute

Lrsquoirradiation solaire moyenne journaliegravere sur une surface horizontale agrave lrsquoemplacement

choisi pour le systegraveme de geacuteneacuteration est de 461 kWhmsup2 et le vent moyen est de 61

ms Le profil de charge horaire est montreacute dans la figure 421

Les principaux paramegravetres du systegraveme sont reacutesumeacutes dans les tableaux 45 et 46

La production eacutenergeacutetique du systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable est montreacutee

dans la figure 422 pour le cas agrave rendement constant et dans la figure 423 pour le cas agrave

rendement variable proposeacute La geacuteneacuteration horaire de chaque source est montreacutee pour

une journeacutee typique Le niveau de charge du groupe de batteries est eacutegalement montreacute

comme le profil de charge et le bilan eacutenergeacutetique De ce bilan la valeur de lrsquoeacutenergie non


fournie (ENS) est obtenue de lrsquointeacutegration des valeurs neacutegatives

Pour lrsquoapproche agrave rendement constant celui-ci a eacuteteacute supposeacute eacutegal agrave 90 Le systegraveme est

simuleacute en premier pour ce cas Lrsquoeacutenergie fournie pour chaque source de geacuteneacuteration et la

demande eacutenergeacutetique sont montreacutees dans la figure 423 Le manque drsquoeacutenergie par jour

est de 138 kWh

Figure 421 Profil de charge heure par heure pour une journeacutee typique

Tableau 45 Reacutesumeacute des Paramegravetres des Moyens de Production du Systegraveme de

Geacuteneacuteration Hybride Renouvelable

Source Valeurs

Geacuteneacuterateur Diesel Tension nominale 220 V Puissance nominale 5000 W Turbine Eolienne Vitesse du vent nominale 14 ms Diamegravetre du rotor 37 m Puissance nominale 30 kW Vitesse de rotation nominale 150750 trmn Panneaux Photovoltaiumlques Quantiteacute 18 Tension nominale 36 V Courant nominal 5 A Puissance maximale 3 kW


Tableau 46 Reacutesumeacute des Paramegravetres du des Convertisseurs du Systegraveme de Geacuteneacuteration

Hybride Renouvelable

Convertisseur Valeurs

Diodes des Redresseurs Tension nominale 800 V Courant nominal 10 A Tension seuil 11 V Reacutesistance de conduction 20 mΩ MOSFET des Convertisseurs MLI (Hacheur et Onduleur) Tension nominale 150 V Courant moyen 60 A Tension seuil 0 V Reacutesistance de conduction 004 Ω trN tfN 40 ns 40 ns trrN QrrN 150 ns 20 microC Diode de Recouvrement Rapide des Convertisseurs MLI Tension nominale 200 V Courant moyen 20 A Tension seuil 13 V Reacutesistance de conduction 125 mΩ Transformateurs Puissance nominale 6000 W Reacutesistance eacutequivalente 005 Ω

Les rendements infeacuterieurs retrouveacutes avec la meacutethodologie deacuteveloppeacutee font que le

manque drsquoeacutenergie journaliegravere est de 345 kWh Ceci implique une valeur pour lrsquoENS

plus eacuteleveacutee de 40 que dans le cas agrave rendement constant

Cette grande diffeacuterence sur lrsquoestimation de lrsquoENS srsquoexplique par un rendement total

infeacuterieur aux 90 supposeacutes dans la meacutethode agrave rendement constant de cette faccedilon

lrsquoeacutenergie deacutelivreacutee est infeacuterieure agrave lrsquoespeacutereacute et donc le manque drsquoeacutenergie est supeacuterieur

Lrsquoeacutevaluation des pertes plus preacutecise de la meacutethode proposeacutee inclut des points de

fonctionnement autres que le nominal ougrave le rendement est le plus souvent infeacuterieur La

meacutethode inclut aussi la plupart des pertes dans tous les convertisseurs de puissance

(transformateurs et dispositifs eacutelectroniques)


De lrsquoanalyse des reacutesultats il ressort que le calcul plus preacutecis des pertes eacutenergeacutetique dans

les composants du systegraveme de puissance a un effet significatif sur la performance agrave long

terme Une estimation correcte des paramegravetres comme les pertes et lrsquoeacutenergie non fournie

est importante au moment de faire le dimensionnement du systegraveme de geacuteneacuteration

renouvelable

0

5000Energy supplied by the Diesel Generator

W

0

1000

2000Energy supplied by the Wind Turbine

W

0

1000

2000Energy supplied by the PV panels

W

0

500

1000Battery State of Charge

W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0

2000Energy Balance (Egenerated-Eload)

Time (Hours)

Wh

Figure 422 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pour une journeacutee

typique agrave rendement constant des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la

batterie le profil de charge et reacutesultat du bilan


0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh

Figure 423 Bilan eacutenergeacutetique du systegraveme hybride renouvelable pendant une journeacutee

typique agrave rendement variable des eacutequipements Production de chaque source lrsquoeacutetat de la


45 Conclusion

Une meacutethode analytique de calcul des pertes des semi-conducteurs de puissance a eacuteteacute

proposeacutee dans ce chapitre A partir drsquoun modegravele simple de semi-conducteur des

eacutequations pour les pertes par conduction ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees Les eacutequations pour le

calcul des pertes par commutation furent emprunteacutees agrave la litteacuterature

Ces eacutequations permettent drsquoeacutevaluer les pertes par conduction pour diffeacuterentes topologies

de convertisseurs eacutelectroniques de puissance ainsi que les pertes par commutation pour

un convertisseur hacheur et un onduleur commandeacutes par MLI


Divers reacutesultats ont eacuteteacute obtenus et veacuterifieacutes avec les eacutequations proposeacutees Elles

permettent de comparer les diffeacuterents semi-conducteurs pour de nombreuses

applications de puissance

Une application agrave lrsquooptimisation drsquoun systegraveme de geacuteneacuteration hybride a eacuteteacute reacutealiseacutee Dans

lrsquoanalyse des systegravemes drsquoeacutenergie renouvelable lrsquoapproche agrave rendement constant est

habituellement utiliseacutee pour connaicirctre le comportement du systegraveme agrave long terme Il est

inteacuteressant de faire une estimation plus preacutecise des pertes et de savoir quelle est

lrsquoeacutenergie disponible qui peut ecirctre vraiment deacutelivreacutee agrave la charge Dans ce chapitre une

nouvelle approche pour calculer les pertes dans un systegraveme de geacuteneacuteration est proposeacutee

La meacutethode proposeacutee permet de prendre en consideacuteration la variation des pertes

eacutenergeacutetiques des diffeacuterents points de fonctionnement du systegraveme Des modegraveles ont eacuteteacute

utiliseacutes et adapteacutes speacutecialement pour chaque convertisseur eacutelectronique de puissance du

systegraveme Quelques suppositions sur le fonctionnement ont eacuteteacute faites pour obtenir des

expressions analytiques qui repreacutesentent les pertes dans chaque convertisseur de

puissance La meacutethode proposeacutee a eacuteteacute compareacutee agrave lrsquoapproche agrave rendement constant pour

observer les diffeacuterences Ainsi fut montreacute comment une meacutethode agrave rendement constant

peut sous-estimer les pertes totales du systegraveme

Par rapport au calcul des pertes une seule topologie du systegraveme hybride a eacuteteacute analyseacutee

dans ce travail Il est possible de travailler davantage sur de nouvelles topologies de

systegraveme et de convertisseurs

Conclusions et Perspectives

Les recherches faites dans ce travail de thegravese ont abouti agrave plusieurs reacutesultats dont les

plus importants sont reacutesumeacutes ici

La formulation drsquoune meacutethode drsquooptimisation a permis de trouver les valeurs optimales

du rapport de transformation de la boite de vitesse et de la tension de batterie pour une

structure simple de systegraveme de conversion eacuteolien isoleacute et de faible taille Un modegravele

meacutecanique de la turbine eacuteolienne et un autre modegravele eacutelectrique de la machine ont eacuteteacute

utiliseacutes pour obtenir des eacutequations qui permettent de formaliser le problegraveme

drsquooptimisation Le problegraveme a eacuteteacute reacutesolu obtenant initialement des reacutesultats peu

concluants Une adaptation du problegraveme a permis de trouver finalement les valeurs

optimales rechercheacutees

Un convertisseur DCDC cascade conccedilu speacutecialement pour le systegraveme de geacuteneacuteration

eacuteolien est proposeacute eacutetudieacute et veacuterifieacute Le convertisseur est composeacute drsquoun convertisseur

eacuteleacutevateur puis drsquoun convertisseur abaisseur ce qui permet de commander de faccedilon

optimale le systegraveme de geacuteneacuteration Il est possible ainsi de profiter au maximum de la

puissance et de lrsquoeacutenergie du vent faisant diminuer ainsi les coucircts de lrsquoeacutenergie produite

Chaque convertisseur est commandeacute indeacutependamment par une meacutethode feed-forward

ce qui permet de commander le systegraveme de faccedilon stable

Une meacutethode pour le calcul des pertes dans les convertisseurs eacutelectroniques de

puissance a eacuteteacute obtenue et veacuterifieacutee Elle inclut les pertes par conduction et par

commutation des semi-conducteurs de puissance selon leurs caracteacuteristiques et

speacutecificiteacutes Les reacutesultats pour plusieurs convertisseurs sont preacutesenteacutes et analyseacutes La


meacutethode a permis de calculer plus la quantiteacute drsquoeacutenergie non fournie drsquoun systegraveme

preacutealablement conccedilu par une meacutethode employant un rendement constant

Perspectives

Les travaux futurs qui pourraient ecirctre poursuivis agrave partir des reacutesultats et de la recherche

effectueacutee dans ce travail de thegravese sont entre autres les suivants

Pour le problegraveme drsquooptimisation il est envisageable drsquoinclure drsquoautres composants du

systegraveme de conversion dans le problegraveme proposeacute Par exemple la machine

dimensionner un systegraveme sans boite de vitesses cherchant le nombre optimal de pocircles

et les caracteacuteristiques de la machine pour une adaptation optimale au systegraveme de

conversion eacuteolien

Drsquoautres techniques de reacutesolution comme la Descente de Gradient les Reacuteseaux de

Neurones les Algorithmes Geacuteneacutetiques etc peuvent ecirctre utiles pour veacuterifier les reacutesultats

du problegraveme drsquooptimisation deacutejagrave reacutesolue par la Meacutethode de Monte-Carlo ou pour

reacutesoudre des nouveaux problegravemes drsquooptimisation que le systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien

peut proposer

Pour les sites bien deacutefinis il est possible de reprendre lrsquooptimisation du systegraveme avec

une adaptation de celui-ci aux conditions du vent de lrsquoemplacement

Pour le systegraveme commandeacute il est possible de reacutealiser la conception drsquoun systegraveme de

commande speacutecialement adapteacute agrave lrsquoapplication eacuteolienne du convertisseur cascade

proposeacute Inclure une partie de commande simultaneacutee des deux convertisseurs pour la

zone ougrave les valeurs de tension drsquoentreacutee et de sortie sont similaires et ainsi eacuteviter une

reacutegion de fonctionnement sans reacutegulation

Une commande en mode correcteur du facteur de puissance peut ecirctre aussi eacutetudieacutee et

veacuterifieacutee profitant de la structure cascade proposeacutee Ceci permettrait agrave la machine de


fonctionner avec des courants presque sinusoiumldaux reacuteduisant les effets nuisibles des

harmoniques de courant dans la machine

Une validation par moyens expeacuterimentaux du systegraveme commandeacute est envisageable Un

prototype de laboratoire sera utile pour valider la topologie et le systegraveme de commande

proposeacutes

Pour la meacutethode de calcul de pertes dans les convertisseurs une eacuteventuelle inclusion

des eacutequations des pertes dans la proceacutedure de dimensionnement du systegraveme de

puissance hybride pour reacutealiser un calcul plus preacutecis des pertes et de lrsquoeacutenergie non-

fournie afin drsquoameacuteliorer le dimensionnement

Deacutevelopper une meacutethode de calcul pour les autres types de pertes des convertisseurs

eacutelectroniques et eacutelectriques de faccedilon de compleacuteter la proceacutedure drsquoestimation des pertes

dans les systegravemes de puissance speacutecialement pour les systegravemes hybrides

Reacutefeacuterences Bibliographiques

ABB (2006) Proven technology for wind energy Generators drives and low voltage

power components Products Brochure

ACEE (2006) Guide de lrsquoAssociation Canadienne de lrsquoEnergie Eolienne

httpwwwuqaruquebeccachaumelguideeolienACEEhtm02

Ackermann T (2005) Wind Power in Power Systems John WileyampSons England

Ang S and Oliva A (2005) Power-Switching Converters Taylor amp Francis Group

Bierhoff MH and Fuchs FW (2004) ldquoSemiconductor Losses in Voltage Source and

Current Source IGBT Converters Based on Analytical Derivationrdquo Proc of the Power

Electronics Society Conference

Borowy BS and Salameh ZM (1997) ldquoDynamic Response of a Stand-Alone Wind

Conversion System with Battery Energy Storage to a Wind Gustrdquo IEEE Trans on

Energy Conversion 12(1) 73-78

Boukhezzar B (2006) ldquoSur les Strateacutegies de Commande pour lrsquoOptimisation et la

Reacutegulation de Puissance des Eoliennes agrave Vitesse Variablerdquo PhD Thesis Universiteacute de

Paris XI France

Bouscayrol A Delarue Ph and Guillaud X (2005) ldquoPower Strategies for Maximum

Control Structure of a Wind Energy Conversion System with a Synchronous Machinerdquo

Renewable Energy 30 2273-2288

Buttay C (2004) Contribution agrave la Conception par la Simulation en Electronique de

Puissance Application agrave lrsquoOnduleur Basse Tension (PhD Thegravese) Institut National des

Sciences Appliqueacutees de Lyon France

Casanellas F (1994) ldquoLosses in PWM inverters using IGBTsrdquo IEE Proc Electric

Power Applications 141(5) 235-239

Chedid R and Rahman S (1997) ldquoUnit Sizing and Control of Hybrid Wind-Solar

Power Systemsrdquo IEEE Trans Energy Conversion 12(1) 79-85


Chen Z and Blaabjerg F (2006) ldquoWind Energy ndash The Worldrsquos Fastest Growing

Energy Sourcerdquo IEEE Power Electronics Society Newsletter 3 15-18

De Battista H Mantz RJ and Christiansen CF (2003) ldquoEnergy-based approach to

the output feedback control of wind energy systemsrdquo Int J Control 76(3) 299-308

De Broe AM Drouillet S and V Gevorgian (1999) ldquoA Peak Power Tracker for

Small Wind Turbines in Battery Charging Applicationsrdquo IEEE Trans on Energy

Conversion 14(4) 1630-1635

Ermis M Ertan HB Akpinar E and Ulgut F (1992) ldquoAutonomous wind energy

conversion system with a simple controller for maximum-power transferrdquo IEE

Proceedings-B 139(5) 421-428

Fitzgerald AE Kingsley C and Umans SD (1999) Electric Machinery

McGrawHill

Gergaud O (2002) Modeacutelisation eacutenergeacutetique et optimisation eacuteconomique drsquoun

systegraveme de production eacuteolien et photovoltaiumlque coupleacute au reacuteseau et associeacute agrave un

accumulateur (PhD Thesis) Ecole Normale Supeacuterieure de Cachan France

Godoy Simoes M Bose BK and Spiegel RJ (1997) ldquoFuzzy Logic Based Intelligent

Control of a Variable Speed Cage Machine Wind Generation Systemrdquo IEEE Trans on

Power Electronics 12(1) 87-95

Hau E (2006) Wind Turbines Fundamentals Technologies Application Economics

Springer Germany

Hilloowalla RM and Sharaf AM (1996) ldquoA Rule-Based Fuzzy Logic Controller for

a PWM Inverter in a Stand Alone Wind Energy Conversion Schemerdquo IEEE Trans on

Industry Applications 32(1) 57-64

Kariniotakis GN and Stravrakakis GS (1995) ldquoA General Simulation Algorithm for

the Accurate Assessment of Isolated Diesel ndash Wind Turbines Systems Interactionrdquo

IEEE Trans on Energy Conversion 10(3) 584-590

Knight AM and Peters GE (2005) ldquoSimple Wind Energy Controller for an Expanded

Operating Rangerdquo IEEE Trans on Energy Conversion 20(2) 459-466

Liberti G Mazzucchelli M Puglisi L and Sciutto G (1998) ldquoEstimation of losses

in static power converters via computer simulation preliminary resultsrdquo Internat

Journal of Energy Systems 8(1) 13-16

Lopez (2007a) ldquoOptimisation of a Small Non Controlled Wind Energy Conversion

System for Stand-Alone Applicationsrdquo Proceedings of the International Conference on

Renewable Energies and Power Quality Spain


Lopez (2007b) ldquoInfluence of Power Converter Losses Evaluation in the Sizing of a

Hybrid Renewable Energy Systemrdquo Proceedings of the International Conference on

Clean Electric Power Italy

Mathew S (2006) Wind Energy Fundamentals Resource Analysis and Economics

Springer Germany

Masters G M (2004) Renewable and Efficient Electric Power Systems Wiley-

Interscience New Jersey

Mirecki A (2005) Etude comparative de chaicircnes de conversion drsquoeacutenergie deacutedieacutees agrave

une eacuteolienne de petite puissance Institut National Polytechnique de Toulouse France

Mohan N Undeland T and Robbins T (1995) Power Electronics Converters

Applications and Design John Wiley amp Sons New York

Mons L (2005) Les enjeux de lrsquoeacutenergie Larousse France

Morales D and Vannier J-C (2003) ldquoConception et simulation drsquoune installation

mixte drsquoeacutenergie eacutelectrique renouvelablerdquo Proc of the Conference Electrotechnique du

Futur France

Morales D and Vannier J-C (2004) ldquoUnit Sizing of Small Hybrid Renewable Energy

Conversion Systems under Uncertaintyrdquo Proc of the International Conference on

Electric Machines Poland

Morales D (2006) Optimaliteacute des eacuteleacutements drsquoun systegraveme deacutecentraliseacute de production

drsquoeacutenergie eacutelectrique (PhD Thesis) Universiteacute de Paris XI France

Morales D Lopez M and Vannier J-C (2006) ldquoOptimal Matching Between a

Permanent Magnet Synchronous Machine and a Wind Turbine ndash Statistical Approachrdquo

Proc of the International Conference on Electric Machines Greece

Neris AS Vovos NA and Giannakopoulos GB (1999) ldquoA Variable Speed Wind

Energy Conversion Scheme for Connection to Weak AC Systemsrdquo IEEE Trans on


Ninomiya K Harada K and Miyasaki I (1995) ldquoActive Filter using Cascade

Connection of Switching Regulatorsrdquo 17th IEEE International Telecommunications

Energy Conference INTELEC95 678-683

Papathanassiou SA and Papadopoulos MP (1999) ldquoDynamic behavior of Variable

Speed Wind Turbine under Stochastic Windrdquo IEEE Trans on Energy Conversion

14(4) 1617-1623

Rashid M (2004) Power Electronics Circuits Devices and Applications Pearson

Prentice Hall


Soumlderlund L and Eriksson J-T (1996) ldquoA Permanent-Magnet Generator for Wind

Power Applicationsrdquo IEEE Trans on Magnetics 32(4) 2389-2392

Westwind (2005) Wind turbines for remote areas Product Brochure

Windpower (2006) Site Web de la Danish Wind Industry Association

httpwwwwindpowerorg

World Energy Council (2004) Survey of Energy Resources Elsevier

Annexe A Boicircte de Vitesses

Dans cette partie les diffeacuterentes configurations une meacutethode de dimensionnement et le

rendement des boicirctes de vitesses utiliseacutees pour les applications eacuteoliennes sont preacutesenteacutes

ainsi que le concept drsquoentraicircnement direct (gearless) utiliseacute dans les turbines eacuteoliennes

de plus faible ou de plus grande taille

Configurations des Boicirctes de Vitesses

Les boicirctes de vitesses agrave roues denteacutees sont fabriqueacutees de deux maniegraveres diffeacuterentes Une

premiegravere possibiliteacute est lrsquoarbre parallegravele ou systegraveme drsquoengrenages de train simple et

lrsquoautre est le train planeacutetaire ou eacutepicycloiumldal Le rapport de transmission procureacute par un

seul eacutetage est limiteacute pour que la diffeacuterence entre les arbres ne soit pas trop deacutefavorable

Les eacutetages drsquoengrenages parallegraveles sont construits avec un rapport de transmission

jusqursquoagrave 16 et ceux eacutepicycloiumldaux de 112 Les turbines eacuteoliennes de moyenne et grande

puissance ont geacuteneacuteralement besoin de plus drsquoun eacutetage Le tableau A1 montre les effets

des diffeacuterentes conceptions sur la taille poids et coucirct relatif de la boicircte

Il est remarquable que le design eacutepicycloiumldal repreacutesente seulement une fraction du poids

total drsquoun systegraveme agrave arbres parallegraveles comparable Les coucircts relatifs sont ainsi reacuteduits

drsquoagrave peu pregraves la moitieacute Dans lrsquoordre des meacutegawatts la boicircte eacutepicycloiumldale multi-eacutetages

(figure A1b) est nettement supeacuterieure Pour les plus petites la conclusion nrsquoest pas si

eacutevidente Dans la gamme allant jusqursquoagrave 500 kW les designs agrave arbres parallegraveles (figure

A1a) sont reacuteguliegraverement preacutefeacutereacutes pour des raisons de coucirct

A-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip

Bien qursquoil soit possible drsquoadapter les boicirctes de vitesse drsquoautres types de machine aux

turbines eacuteoliennes celles-ci sont soumises agrave des contraintes particuliegraveres qui ne sont pas

souvent rencontreacutees dans drsquoautres applications un dimensionnement speacutecifique est alors

tregraves souvent employeacute

Tableau A1 Masse totale et cout relatif de plusieurs conceptions de boicirctes de vitesses

pour une turbine eacuteolienne de 2500 kW (Source Hau 2006)

Configuration

Masse [T] Cout relatif []

Deux eacutetages parallegraveles

70 180

Trois eacutetages parallegraveles

77 192

Deux eacutetages un parallegravele et

un eacutepicycloiumldal

41 169

Trois eacutetages un parallegravele et

deux eacutepicycloiumldaux

17 110

Trois eacutetages eacutepicycloiumldaux

11 100

Annexe A Boite de Vitesses A-3

Figure A1 (a) Boicircte de vitesse de deux arbres parallegraveles pour une eacuteolienne de 200 agrave

500 kW (b) Boicircte de vitesse standard pour les grandes turbines eacuteoliennes avec un eacutetage

eacutepicycloiumldal et deux arbres parallegraveles [Source Hau 2006]

Dimensionnement de la Boicircte

Le dimensionnement de la boicircte de vitesse est consideacutereacute sous deux aspects Drsquoune part

il y a le dimensionnement interne des eacuteleacutements de lrsquoengrenage comme les dents les

arbres et les roulements Ceci est principalement la tacircche du fabricant de la boicircte de

vitesse Mais le fabricant ne peut reacutesoudre cette tacircche que srsquoil est muni de lrsquoinformation

correcte sur les charges externes qui auront lieu durant les diffeacuterentes conditions de

fonctionnement Lrsquoeacutelaboration du cahier des charges est la tacircche des ingeacutenieurs systegraveme

de la turbine eacuteolienne

Le paramegravetre le plus important est le couple devant ecirctre transmis (Hau 2006) Le couple

du rotor nrsquoest pas une valeur constante et il est soumis agrave des variations plus ou moins

importantes selon la conception de la turbine eacuteolienne Le spectre de charge contient

des variations de couple exprimeacutees en amplitude et freacutequence qui ont lieu pendant toute

la dureacutee de vie de la turbine Le rapport de transmission est dimensionneacute par le fabricant


sur la base de ce spectre de charge de sorte que la limite de reacutesistance agrave la fatigue soit agrave

une distance suffisante au dessus du spectre de charge (figure A2)

Cette meacutethode nrsquoest pas toujours faisable dans la pratique un spectre de charge

complet et fiable pour la boicircte de vitesse est rarement disponible donc une meacutethode

simplifieacutee et baseacutee sur des donneacutees empiriques est utiliseacutee pour deacutefinir la situation de

charge externe (Hau 2006)

Torque T

Torque T

Time t Load cycles N

Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang

fatigue strength limit

load spectrum

Teq

TN

Figure A2 Caracteacuteristiques du couple et sa distribution par rapport agrave la ligne de force

drsquoune boicircte de vitesses pour un dimensionnement correct

Rendement de la Boicircte de Vitesses

Les pertes de puissance dans les boicirctes de vitesse modernes sont peu importantes

Neacuteanmoins le rendement de la boicircte de vitesse ne peut pas ecirctre complegravetement ignoreacute

particuliegraverement pour une turbine eacuteolienne (Hau 2006) La friction entre les dents et les

ruptures du flux de lrsquohuile sont les causes principales de pertes dans la boicircte de vitesse

Elles provoquent une eacutemission de chaleur et dans une mesure beaucoup moins

importante une eacutemission sonore La chaleur peut devenir un problegraveme principalement

dans des boicirctes de vitesse planeacutetaires tregraves compactes ougrave des circuits de refroidissement

compleacutementaires deviennent neacutecessaires


Le rendement deacutepend essentiellement du rapport total de transmission du type de

meacutecanisme et de la viscositeacute de lrsquohuile de graissage Les valeurs suivantes sont trouveacutees

typiquement 2 de pertes par eacutetape environ pour une boicircte agrave arbre parallegravele et 1 de

pertes par eacutetape environ pour une boicircte eacutepicycloiumldale (Hau 2006)

En raison de leur technologie plus sophistiqueacutee les plus grandes boicirctes de vitesse dans

la gamme des meacutegawatts fonctionnent geacuteneacuteralement avec un rendement leacutegegraverement

meilleur que celui des plus petites Le rendement diminue avec le nombre drsquoeacutetages de

nombreuses tentatives ont donc eacuteteacute faites pour obtenir les vitesses requises avec des

transmissions agrave deux eacutetages notamment pour des turbines eacuteoliennes de taille moyenne

Une boicircte de vitesse agrave deux eacutetages associeacutee agrave un geacuteneacuterateur multipolaire un peu plus

cher et fonctionnant agrave une vitesse basse peut alors ecirctre une configuration plus efficace

qursquoune boicircte de vitesse agrave trois eacutetages accoupleacutee agrave un geacuteneacuterateur bipolaire

Le rendement drsquoune transmission drsquoengrenages deacutepend aussi de la puissance transmise

Cependant il est difficile de trouver de lrsquoinformation sur le rendement en fonction des

courbes de charge il alors est neacutecessaire de faire des approximations Dans le cas des

meacutecanismes eacutepicycloiumldaux il peut ecirctre supposeacute qursquoenviron 50 des pertes de

puissance sont constantes tandis que 50 varient lineacuteairement avec la puissance

transmise (Hau 2006)

Entrainement Direct

Une solution au problegraveme du surdimensionnement de la boicircte de vitesse est simplement

de lrsquoeacuteliminer en utilisant un systegraveme ougrave le rotor est connecteacute directement au geacuteneacuterateur

Les geacuteneacuterateurs agrave attaque directe capables de travailler aux faibles vitesses de rotation

des turbines eacuteoliennes sont en deacuteveloppement mais les conceptions actuelles sont plus

lourdes que les geacuteneacuterateurs conventionnels Ce type drsquoentraicircnement direct du geacuteneacuterateur

est aussi deacutenommeacute fonctionnement laquo gearless raquo de la turbine eacuteolienne


Srsquoil nrsquoy a pas de boicircte de vitesse il y a moins de composants dans le systegraveme mais aussi

moins de friction agrave vaincre par les pales Ceci a comme reacutesultat une vitesse de

deacutemarrage plus faible avec les vents leacutegers plus de puissance produite et moins de

maintenance (Westwind 2005)

A partir de la moitieacute des anneacutees 1990 des eacuteoliennes avec entraicircnement direct sont

produites en seacuterie par quelques constructeurs (ENERCON ABB WESTWIND et autres)

Les reacutesultats obtenus montrent une bonne performance de cette technologie

Dans une application agrave entraicircnement direct la turbine eacuteolienne et le geacuteneacuterateur son

inteacutegreacutes pour former une structure compacte La conception simple et robuste du rotor agrave

faible vitesse sans circuit drsquoexcitation seacutepareacute ni systegraveme de refroidissement reacutesulte en

une taille diminueacutee des besoins de maintenance reacuteduits des coucircts plus faibles et une

dureacutee de vie plus longue (ABB 2006)

Ces turbines sont agrave vitesse variable et utilisent couramment un geacuteneacuterateur synchrone et

un convertisseur de freacutequence Gracircce au convertisseur le geacuteneacuterateur ne doit pas ecirctre

obligatoirement conccedilu pour une freacutequence de 50 ou 60 Hz le nombre de pocircles est alors

deacutefini pour que le diamegravetre du geacuteneacuterateur reste dans des limites toleacuterables (Hau 2006)

La suppression de la boicircte de vitesses ameacuteliore la fiabiliteacute et la continuiteacute du service les

deacutesavantages de cette solution ne doivent pas ecirctre neacutegligeacutes Pour le cas des grandes

eacuteoliennes le geacuteneacuterateur est de conception complexe speacutecialement deacutedieacutee agrave cette

application et ses poids et diamegravetre eacuteleveacutes impliquent un poids total supeacuterieur aux

conceptions conventionnelles

Annexe B Technologies de Stockage

Le stockage drsquoeacutelectriciteacute offre des perspectives pour la geacuteneacuteration la distribution et

lrsquoutilisation de lrsquoeacutenergie eacutelectrique

Au niveau du reacuteseau public par exemple une installation de stockage drsquoeacutenergie est utile

pour garder lrsquoeacutelectriciteacute geacuteneacutereacutee pendant les peacuteriodes de creux de consommation

typiquement la nuit et cette eacutenergie est fournie pendant les heures de pointes de la

demande

Les installations de stockage drsquoeacutenergie peuvent fournir de lrsquoeacutenergie de soutien (back-up)

Elles peuvent srsquoemployer dans les industries ou dans les bureaux pour surmonter une

deacutefaillance du reacuteseau En fait dans une industrie critique ougrave une reacuteponse instantaneacutee agrave la

perte de puissance est neacutecessaire lrsquoutilisation drsquoune technologie de stockage est la seule

faccedilon drsquoassurer la seacutecuriteacute

Le stockage drsquoeacutenergie joue aussi un rocircle important dans la geacuteneacuteration drsquoeacutelectriciteacute agrave

partir des sources renouvelables La plupart des sources renouvelables comme le solaire

lrsquoeacuteolien et les mareacutees sont intermittentes et leur production est freacutequemment difficile agrave

preacutevoir avec exactitude La combinaison drsquoune forme de stockage avec une source

drsquoeacutenergie renouvelable aide agrave corriger cette incertitude et augmente la valeur de

lrsquoeacutenergie geacuteneacutereacutee

Lrsquoutilisation du stockage de lrsquoeacutenergie nrsquoest cependant pas encore largement reacutepandue en

raison de lrsquoefficaciteacute des diffeacuterentes technologies et de leur coucirct

Un reacuteseau avec une capaciteacute de stockage de 10 agrave 15 de sa capaciteacute de production est

beaucoup plus stable et beaucoup moins cher agrave faire fonctionner mais dans un marcheacute

B-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip

compeacutetitif et deacutereacuteguleacute les eacuteconomies du stockage drsquoeacutenergie peuvent ne pas sembler

avantageuses ceci a probablement freineacute les investissements

B1 Types de Stockage de lrsquoEnergie

Garder lrsquoeacutelectriciteacute sous sa forme dynamique en ampegraveres et en volts est tregraves difficile agrave

reacutealiser La forme la plus proche est le stockage de lrsquoeacutenergie magneacutetique dans un anneau

super conducteur dans lequel un courant continu est maintenu en circulation Une autre

forme directe de stockage est le systegraveme capacitif qui garde lrsquoeacutenergie en associant un

champ eacutelectrique et des charges Toutes les autres formes de stockage de lrsquoeacutenergie font

la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute en une autre forme drsquoeacutenergie Ceci signifie que lrsquoeacutenergie

doit ecirctre reconvertie en eacutelectriciteacute quand elle est requise

Une batterie rechargeable garde lrsquoeacutenergie sous une forme chimique Une centrale

hydraulique agrave pompage garde de lrsquoeacutenergie potentielle un volant drsquoinertie garde de

lrsquoeacutenergie cineacutetique et un systegraveme de stockage agrave air comprimeacute CAES (Compressed Air

Energy Storage) garde lrsquoeacutenergie sous une autre forme drsquoeacutenergie potentielle

Pour le stockage agrave grande eacutechelle trois technologies sont disponibles actuellement le

stockage par pompage drsquoeau par air comprimeacute et dans une moindre mesure dans des

grandes batteries Les batteries les volants drsquoinerties et les systegravemes de stockage

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

drsquoeacutenergie Le stockage drsquoeacutenergie magneacutetique agrave super-conducteur (SMES de

Superconductiong Magnetic Energy Storage) est utiliseacute pour des installations de petite

taille et il est approprieacute pour les installations plus grandes mais il a encore des coucircts

eacuteleveacutes (Breeze 2005 Ribeiro et al 2001)

Le temps de reacuteponse pour deacutelivrer de la puissance est variable Un condensateur peut

fournir de la puissance presque instantaneacutement tout comme le SMES Les volants

drsquoinertie sont tregraves rapides aussi et les batteries reacutepondent en quelques dizaines de

millisecondes Pour fournir la puissance nominale un CAES prend entre 2 agrave 3 minutes

et un systegraveme agrave pompage drsquoeau peut prendre entre 10 secondes et 15 minutes

Annexe B Technologies de Stockage B-3

Le temps de stockage de lrsquoeacutenergie a des effets sur le choix de la technologie agrave utiliser

Pour des temps tregraves longs de lrsquoordre des jours et des semaines un systegraveme de stockage

meacutecanique est le plus approprieacute et le stockage agrave pompage drsquoeau est le plus efficace si les

pertes drsquoeau sont bien geacutereacutees Pour des cycles journaliers le stockage par pompage

drsquoeau et le CAES sont approprieacutes cependant les batteries sont utiles pour le stockage

pour des peacuteriodes de quelques heures Les condensateurs les volants drsquoinertie et les

systegravemes agrave super-conducteurs sont mieux adapteacutes pour le stockage drsquoeacutenergie agrave court

terme les volants drsquoinertie peuvent aussi srsquoutiliser pour des systegravemes de stockage agrave plus

long terme

Une autre consideacuteration importante est le rendement du proceacutedeacute de conversion

drsquoeacutenergie Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie utilise deux proceacutedeacutes compleacutementaires

garder lrsquoeacutelectriciteacute et apregraves la reacutecupeacuterer Chaque proceacutedeacute implique quelques pertes Le

rendement du parcours complet (aller-retour) est le pourcentage drsquoeacutelectriciteacute envoyeacute au

stockage qui est repris comme eacutelectriciteacute agrave nouveau Quelques valeurs typiques sont

montreacutees dans le tableau B1

Tableau B1 Rendement aller-retour des diffeacuterentes technologies de stockage [Source

Breeze 2005]

Technologie Rendement ()

Condensateurs 90 Systegraveme de stockage agrave superconducteur 90 Batterie de flux 90 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 80 Volant drsquoinertie 80 Systegraveme de pompage drsquoeau 75 ndash 80 Batterie 75 ndash 90

Les systegravemes de stockage eacutelectronique comme les condensateurs peuvent avoir un

rendement eacuteleveacute tout comme les batteries Neacuteanmoins leurs rendements diminuent avec

le temps agrave cause des courants de fuite Les batteries ougrave les reacuteactifs chimiques sont

seacutepareacutes ont une meilleure performance par rapport aux pertes de stockage et ont un

rendement total plus eacuteleveacute Les systegravemes de stockage meacutecaniques comme les volants

drsquoinertie agrave air comprimeacute et de pompage drsquoeau ont un rendement relativement moins


eacuteleveacute Cependant ces deux derniers peuvent garder de lrsquoeacutenergie sur de longues peacuteriodes

si neacutecessaire sans avoir de pertes importantes

B2 Systegravemes de stockage drsquoeacutenergie pour des applications de

puissance

Bien que les systegravemes de stockage ne soient pas des sources drsquoeacutenergie ils peuvent

contribuer efficacement pour ameacuteliorer la stabiliteacute la qualiteacute de puissance et la fiabiliteacute

de lrsquoapprovisionnement drsquoeacutenergie La technologie des batteries a progresseacute de maniegravere

significative de faccedilon agrave faire face aux nouveaux challenges des veacutehicules eacutelectriques et

des applications de reacuteseau Les volants drsquoinertie sont agrave preacutesent utiliseacutes dans les sources

de puissance non interruptibles non polluantes les plus reacutecentes Les condensateurs de

nouvelle technologie son consideacutereacutes comme des eacuteleacutements de stockage drsquoeacutenergie pour

les applications reacuteseau Le stockage drsquoeacutenergie par super-conducteur est toujours en

phase expeacuterimentale cependant son utilisation dans les applications reacuteseau est

envisageacutee aussi (Ribeiro et al 2001)

Les systegravemes drsquoeacutenergie eacutelectrique eacuteprouvent des changements notables de leurs

conditions de fonctionnement en raison de la deacutereacuteglementation En mecircme temps la

croissance de charges eacutelectroniques a fait de la qualiteacute de puissance une question

critique Les ingeacutenieurs devant relever ces deacutefis cherchent des solutions qui leur

permettent de faire fonctionner le systegraveme drsquoune faccedilon plus flexible et controcirclable

Les reacutecents deacuteveloppements et progregraves dans le stockage drsquoeacutenergie et des technologies

drsquoeacutelectronique de puissance font de lrsquoapplication des technologies de stockage drsquoeacutenergie

une solution viable pour les applications de puissance modernes Des technologies de

stockage viables incluent des batteries des volants drsquoinertie des super-condensateurs et

des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par supraconducteurs Bien que plusieurs de ces

technologies aient eacuteteacute initialement preacutevues pour des applications de lissage de la courbe

de charge agrave grande eacutechelle il est observable que le stockage drsquoeacutenergie est maintenant

plus un outil pour augmenter la stabiliteacute des systegravemes pour aider au transfert de


puissance et pour ameacuteliorer la qualiteacute de puissance dans les systegravemes de puissance

(Ribeiro et al 2001)

B21 Systegravemes de stockage pour les applications de transmission et

distribution

Lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans un systegraveme de courant alternatif peut ecirctre stockeacutee en

convertissant lrsquoeacutelectriciteacute et en utilisant un mode de stockage eacutelectromagneacutetique

eacutelectrochimique cineacutetique ou par eacutenergie potentielle Chaque technologie de stockage

drsquoeacutenergie inclut drsquohabitude une uniteacute de conversion de puissance pour faire passer

lrsquoeacutenergie drsquoune forme agrave une autre Ici encore le volume de stockage et la rapiditeacute de

reacuteponse repreacutesentent deux points cleacutes pour une application drsquoune technologie de

stockage drsquoeacutenergie La puissance maximale de lrsquouniteacute de conversion de puissance et le

temps de reacuteponse du dispositif de stockage sont ainsi associeacutes pour deacutefinir les

performances du systegraveme

Les beacuteneacutefices possibles de lrsquoutilisation de technologies de stockage dans les systegravemes de

puissance alternatifs incluent lrsquoameacutelioration de la transmission lrsquoamortissement des

oscillations de la puissance la stabiliteacute dynamique de tension le controcircle de ligne la

reacuteserve tournante pour le court terme le lissage de charge la reacuteduction du deacutelestage par

basse freacutequence la re-fermeture des circuits ouverts lrsquoamortissement des reacutesonances

sub-synchrone et lrsquoameacutelioration de la qualiteacute de la puissance

Pour les applications de puissance de faible taille comme pour un emplacement isoleacute

sans raccordement au reacuteseau public la faccedilon la plus utiliseacutee et la moins oneacutereuse pour

fournir un moyen de stockage de lrsquoeacutelectriciteacute sont les batteries La section suivante traite

de la technologie de stockage par ces moyens


B3 Batteries pour stockage agrave large eacutechelle

La faccedilon traditionnelle de fournir du stockage drsquoeacutelectriciteacute est la batterie Celle-ci est un

dispositif eacutelectrochimique qui conserve lrsquoeacutenergie sous une forme chimique pour qursquoelle

puisse ecirctre libeacutereacutee quand il est neacutecessaire

Une batterie est composeacutee drsquoune seacuterie de cellules individuelles dont chacune est

capable de fournir un courant deacutefini sous une tension donneacutee Les cellules sont

organiseacutees en seacuterie et en parallegravele de faccedilon de fournir la tension et le courant deacutesireacutes

pour une application particuliegravere

Chaque cellule contient deux eacutelectrodes une anode et une cathode plongeacutees dans un

eacutelectrolyte Une connexion eacutelectrique entre les deux eacutelectrodes est neacutecessaire pour

permettre le passage drsquoeacutelectrons drsquoune eacutelectrode agrave lrsquoautre pour compleacuteter la reacuteaction

Les batteries sont une des technologies de stockage drsquoeacutenergie les plus inteacuteressantes pour

leur disponibiliteacute (Ribeiro et al 2001) Un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie par batterie

(BESS de Battery energy storage systems) est composeacute drsquoun ensemble de modules de

batterie de faible tension et puissance connecteacutes en parallegravele et en seacuterie pour obtenir une

caracteacuteristique eacutelectrique deacutesireacutee Les batteries sont laquo chargeacutees raquo quand elles subissent

une reacuteaction chimique interne sous un potentiel appliqueacute aux terminaux Elles livrent

lrsquoeacutenergie absorbeacutee la laquo deacutecharge raquo quand elles inversent cette reacuteaction chimique Les

facteurs cleacute des batteries pour les applications de stockage incluent haute densiteacute

drsquoeacutenergie haute capaciteacute drsquoeacutenergie rendement drsquoaller et retour capaciteacute de cycle dureacutee

de vie et coucirct initial (Ribeiro et al 2001)

Les cellules rechargeables peuvent ecirctre classeacutees selon le type de deacutecharge qursquoelles

peuvent supporter deacutecharge profonde et peu profonde Une cellule de deacutecharge peu

profonde est partiellement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee de nouveau une batterie

automotrice caracteacuterise ce type de cellule Une cellule de deacutecharge profonde est

normalement complegravetement deacutechargeacutee avant ecirctre rechargeacutee Cette derniegravere est le type de

batterie qui est le plus attrayant pour le stockage drsquoeacutelectriciteacute agrave grande eacutechelle


Les systegravemes de stockage eacutelectrochimiques traditionnels se vantent drsquoavoir un

rendement de 90 mais une valeur plus reacuteelle serait de 70 (Breeze 2005) La

plupart des batteries souffrent aussi de la perte drsquoeacutenergie Laisseacutee inutiliseacutee trop

longtemps la cellule se deacutecharge Cela signifie que les systegravemes de batterie peuvent ecirctre

utiliseacutes seulement pour le stockage sur des temps relativement courts

Un problegraveme suppleacutementaire pour les batteries est leur tendance agrave vieillir Apregraves un

certain nombre de cycles la cellule ne peut plus tenir sa charge efficacement ou la

quantiteacute de charge qursquoelle peut tenir deacutecline Beaucoup de travail de recherche et de

deacuteveloppement a viseacute agrave lrsquoextension de la vie des cellules eacutelectrochimiques mais cela

reste toujours un problegraveme

Agrave leur avantage les batteries peuvent reacutepondre agrave une demande drsquoeacutenergie presque

instantaneacutement Cette proprieacuteteacute peut ecirctre utiliseacutee pour ameacuteliorer la stabiliteacute drsquoun reacuteseau

drsquoeacutenergie eacutelectrique Ceci est une caracteacuteristique inteacuteressante tantocirct dans la geacuteneacuteration

distribueacutee comme pour les applications de soutien (reacuteserve) de puissance

Les batteries traditionnelles sont comprises complegravetement dans un seul compartiment

ougrave tous les composants et reacuteactions y tiennent lieux Pourtant il y a aussi les batteries

(flow batteries) dans lesquelles les agents chimiques impliqueacutes dans la geacuteneacuteration

drsquoeacutelectriciteacute sont tenus dans des reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule eacutelectrochimique Dans

ce type de dispositif lrsquoagent est pompeacute par la cellule selon les besoins De telles cellules

souffrent moins de pertes drsquoeacutenergie Plusieurs types sont deacuteveloppeacutes pour le stockage

drsquoeacutelectriciteacute dans les reacuteseaux de puissance (Breeze 2005)

En raison de la cineacutetique chimique impliqueacutee les batteries ne peuvent pas fonctionner agrave

des niveaux de puissance eacuteleveacutes pendant de longues peacuteriodes De plus des deacutecharges

rapides et profondes peuvent provoquer le remplacement preacutematureacute de la batterie car le

reacutechauffage obtenu de cette sorte de fonctionnement reacuteduit la dureacutee de vie de la batterie

Il y a aussi des soucis environnementaux lieacutes au stockage de batteries en raison de la

geacuteneacuteration de gaz toxiques pendant la charge et deacutecharge batterie Le rejet de mateacuteriaux


dangereux preacutesente quelques problegravemes pour le rejet des batteries Le problegraveme des

rejets varie avec la technologie de la batterie Par exemple le recyclagerejet des

batteries plomb-acide est bien eacutetabli pour les batteries automobiles

Les batteries stockent la charge en courant continu donc une eacutetape de conversion de

puissance est exigeacutee pour connecter une batterie agrave un systegraveme de courant alternatif Les

batteries petites et modulaires avec un convertisseur eacutelectronique de puissance peuvent

fonctionner agrave quatre quadrants (flux de courant bidirectionnel et polariteacute de tension

bidirectionnelle) avec une reacuteponse rapide Les progregraves dans les technologies de batteries

offrent une densiteacute de stockage drsquoeacutenergie accrue une capaciteacute de nombre de cycles plus

eacuteleveacute une fiabiliteacute plus haute et un coucirct plus bas (Ribeiro et al 2001) Les BESS ont

reacutecemment apparu comme une des technologies de stockage agrave court terme les plus

prometteuses pour les applications de puissance offrant un grand choix de

drsquoapplications comme la reacutegulation de tension la protection contre les chutes de tension

le stockage drsquoeacutenergie et la correction de facteur de puissance Plusieurs uniteacutes de BESS

ont eacuteteacute conccedilues et installeacutees pour le lissage de charge la stabilisation et le controcircle de

freacutequence Lrsquoemplacement optimal du site et la capaciteacute de BESS peuvent ecirctre deacutecideacutes

selon son application Ceci a eacuteteacute deacutejagrave fait pour les applications de nivelage de charge

Lrsquointeacutegration de stockage drsquoeacutenergie par batterie avec un controcircleur de flux de puissance

FACTS peut ameacuteliorer le fonctionnement et le controcircle du systegraveme de puissance

B31 Batteries plomb-acide

Les batteries plomb-acide sont les plus connues des batteries rechargeables Elles sont

utiliseacutees dans les automobiles partout dans le monde mais aussi pour le stockage

drsquoeacutenergie agrave petite eacutechelle dans les maisons et les bureaux Des cellules acide-plomb

avanceacutees ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees pour des applications de stockage dans les reacuteseaux

eacutelectriques la plus grande est une usine de 10 MW en Californie (Breeze 2005)

Les batteries de type plomb-acide fonctionnent agrave tempeacuterature ambiante et utilisent un

eacutelectrolyte liquide Elles sont lourdes et ont une faible densiteacute drsquoeacutenergie cependant


aucun de ces inconveacutenients nrsquoest un handicap important pour les applications

stationnaires Elles sont aussi bon marcheacute et peuvent ecirctre recycleacutees plusieurs fois

La technologie de ces batteries est bien eacutetablie et mucircre Elles peuvent ainsi ecirctre conccedilues

pour le stockage de grandes quantiteacutes drsquoeacutenergie ou pour chargedeacutecharge rapide Les

ameacuteliorations de la densiteacute drsquoeacutenergie et les caracteacuteristiques de charge sont toujours un

secteur de recherche actif Cette technologie repreacutesente toujours une option agrave bon

marcheacute pour la plupart des applications exigeant des grandes capaciteacutes de stockage

malgreacute une faible densiteacute drsquoeacutenergie et un cycle de vie limiteacute Les applications mobiles

favorisent les technologies de batterie de plomb-acide scelleacutees gracircce agrave leur haute

seacutecuriteacute et faciliteacute de maintenance Les batteries de plomb-acide agrave reacuteglage par valve

(VRLA de valve regulated lead-acid) ont de meilleures caracteacuteristiques de performance

pour des applications stationnaires

B32 Batteries Nickel-Cadmium

Les batteries de type Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ont des densiteacutes drsquoeacutenergie plus haute et

sont plus leacutegegraveres que les batteries de type acide-plomb Elles fonctionnent mieux aussi agrave

basses tempeacuteratures Elles preacutesentent un coucirct plus important Ce type de batterie a eacuteteacute

utiliseacute largement dans les ordinateurs et les teacuteleacutephones portables mais maintenant elles

ont eacuteteacute remplaceacutees par les batteries au lithium-ion La plus grande batterie de Ni-Cd

jamais construite est une uniteacute de 40 MW en Alaska qui a eacuteteacute finie en 2003 Elle

occupe un bacirctiment de la taille drsquoun champ de football et elle est constitueacutee de 13760

cellules individuelles (Breeze 2005)

B33 Batteries Sodium-Soufre

La batterie de type sodium-soufre (Na-S) est une batterie fonctionnant agrave haute

tempeacuterature Elle fonctionne agrave 300degC et contient du sodium liquide qui explosera srsquoil est

mis en contact avec de lrsquoeau La seacutecuriteacute est un aspect important avec ces batteries


Pourtant elles ont une tregraves haute densiteacute drsquoeacutenergie qui la rend attrayante

particuliegraverement pour les applications embarqueacutees

Cette batterie est en deacuteveloppement pour les applications dans les reacuteseaux de puissance

au Japon Les premiers projets commerciaux sont compris entre 500 kW et 6 MW La

plupart de ceux-ci sont au Japon et une petite uniteacute a eacuteteacute commandeacutee aux Etats-Unis en

2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries

La batterie agrave eacutelectrolyte coulant ou flow battery est un croisement entre une batterie

conventionnelle et une pile agrave combustible Elle a comme dans une batterie

conventionnelle des eacutelectrodes et un eacutelectrolyte Pourtant les reacuteactants chimiques

responsables de la reacuteaction et le produit de cette reacuteaction sont conserveacutes dans des

reacuteservoirs seacutepareacutes de la cellule et pompeacutes agrave partir et vers les eacutelectrodes selon les besoins

comme dans une pile agrave combustible

Deux types de flow batteries ont eacuteteacute deacuteveloppeacutes pour les applications dans les reacuteseaux

la batterie de bromure-polysulphure et la batterie de vanadium redox Ces deux

conceptions ont deacutepasseacute le stade de laboratoire et des capaciteacutes de jusqursquoagrave 15 MW sont

deacutesormais proposeacutees Le temps de reacuteponse de zeacutero agrave pleine puissance est estimeacute agrave

environ 100 ms

B35 Risques Financiers du Stockage par Batterie

Alors que la technologie des batteries est vieille de plus drsquoun siegravecle les types de cellule

proposeacutes pour le stockage dans les systegravemes de puissance sont nouveaux et lrsquoexpeacuterience

est encore limiteacutee La plupart des conceptions prometteuses sont au premier stade de

commercialisation Quelques usines de stockage agrave lrsquoacide-plomb en fonctionnement

sont maintenant vieilles de plus drsquoune deacutecade ce qui fournit un premier feed-back de la


vie des cellules Beaucoup plus est neacutecessaire pour eacutetablir une juste mesure de leur

potentiel

B36 Coucirct des Systegravemes de Stockage par Batterie

Les estimations initiales suggegraverent que les batteries drsquoacide-plomb coucirctent autour de

500 $kW lors de leur lrsquoinstallation Les batteries de sodium-soufre sont estimeacutees autour

de 1000 $kW pendant que les flow batteries devraient coucircter entre 800 et 900 $kW

Les coucircts pour ces deux derniegraveres devraient chuter si les deacutemonstrations srsquoavegraverent

reacuteussies

B4 Consideacuterations Environnementales sur les Technologies de

Stockage

Chacune des technologies de stockage drsquoeacutenergie consideacutereacutees ont un impact sur

lrsquoenvironnement Le stockage par pompage drsquoeau impliquera quasiment les mecircmes

consideacuterations qui srsquoappliquent agrave lrsquohydroeacutelectriciteacute conventionnelle et le stockage par

air comprimeacute impliquera des consideacuterations drsquoeacutemission semblables agrave celle drsquoune turbine

agrave gaz

Les grands systegravemes de stockage drsquoeacutenergie par batterie impliquent lrsquoutilisation de

mateacuteriaux toxiques comme le cadmium ou le plomb qui doivent ecirctre manipuleacutes et

recycleacutes avec soin Le sodium dans une batterie sodium-soufre est particuliegraverement

dangereux srsquoil nrsquoest pas manipuleacute soigneusement Les systegravemes flow batteries

contiennent des agents qui devraient ecirctre empecirccheacutes de se trouver dans lrsquoenvironnement

Les systegravemes de stockage de haute technologie comme le SMES et les super-

condensateurs impliqueront aussi des nouveaux mateacuteriaux peut-ecirctre toxiques Ceux-ci

seront coucircteux agrave produire et il y aura donc une forte incitation agrave les recycler Les volants

drsquoinertie sont probablement les plus bienveillants des technologies de stockage avec un

faible impact sur lrsquoenvironnement agrave moins qursquoils soient traiteacutes avec une neacutegligence

extrecircme


Il y a pourtant deux aspects des technologies de stockage qui ont de larges impacts

positifs Le premier est leur capaciteacute drsquoameacuteliorer le rendement des systegravemes en geacuteneacuteral

et le deuxiegraveme sont les avantages de leur utilisation en conjonction avec des

technologies renouvelables

Le fait drsquoajouter de la capaciteacute de stockage drsquoeacutenergie agrave un reacuteseau de distribution ou de

transmission le rend plus facile agrave geacuterer (Breeze 2005) (Ribeiro et al 2001) Comme il

y a eacuteteacute deacutejagrave indiqueacute la capaciteacute de stockage peut ecirctre utiliseacutee pour garder de lrsquoeacutelectriciteacute

produite dans des centrales de base bon marcheacute en peacuteriodes creuses et lrsquoeacutelectriciteacute peut

ecirctre utiliseacutee quand la demande monte au-delagrave de la capaciteacute des uniteacutes de base

Ce mode drsquoaction est plus eacuteconomique parce qursquoil remplace la geacuteneacuteration de pointe

avec la geacuteneacuteration de base et cette derniegravere est normalement beaucoup moins chegravere Il

est aussi plus efficace parce qursquoil permet au reacuteseau de puissance de baser la majoriteacute de

sa geacuteneacuteration sur ses uniteacutes agrave plus haut rendement Ceci est aussi un avantage

environnemental car une geacuteneacuteration plus efficace a comme reacutesultat une pollution

atmospheacuterique plus faible

B5 Energie Renouvelable et Systegravemes de Stockage

Une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique est une conseacutequence de lrsquoutilisation du stockage

drsquoeacutenergie Cependant le stockage drsquoeacutelectriciteacute peut avoir aussi un effet profond sur

lrsquoeacuteconomie et lrsquoutiliteacute des sources drsquoeacutenergie renouvelables Lrsquoeacutenergie du vent (eacuteolienne)

du soleil (solaire) des mareacutees des vagues sont toutes des sources intermittentes ou

impreacutevisibles Ces deux caracteacuteristiques sont un handicap qui rend ce type drsquoeacutenergie

moins convenable aux yeux drsquoun opeacuterateur de reacuteseau de puissance et moins facile agrave

geacuterer en grandes quantiteacutes Il y a une limite de la quantiteacute de puissance impreacutevisible

qursquoun reacuteseau peut accepter tout en fournissant un bon service

Si le stockage drsquoeacutenergie est ajouteacute agrave lrsquoutilisation de ces sources renouvelables la

situation devient complegravetement diffeacuterente Lrsquoeacutenergie du systegraveme eacuteolien ou solaire peut


ecirctre maintenant utiliseacutee directement ou gardeacutee La production de ces systegravemes est

moyenneacutee Tantocirct les pics comme les creux de production sont adapteacutes par lrsquouniteacute de

stockage En conseacutequence la source drsquoeacutenergie devient preacutevisible Ceci la rend beaucoup

plus facile de dispatcher et permet aussi agrave plus grandes quantiteacutes de puissance drsquoecirctre

accepteacutees sans affecter la qualiteacute de fourniture drsquoeacutenergie au reacuteseau de puissance

Toutefois de nos jours la combinaison technologie renouvelable et stockage drsquoeacutenergie

a un bilan eacuteconomique peu rentable Mais au fur et agrave mesure que le prix des eacutenergies

renouvelables diminue que celui des combustibles fossiles augmente et que les

avantages des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie de grande capaciteacute sont de plus en plus

accepteacutes lrsquoaspect eacuteconomique sera sans doute beaucoup plus inteacuteressant

B6 Coucircts des Technologies de Stockage

Les couts des systegravemes de stockage deacutenergie changent consideacuterablement Certains

comme le pompage hydraulique sont naturellement chers agrave construire pendant que

drsquoautres comme le SMES sont chers parce qursquoils ne sont pas assez deacuteveloppeacutes

Quelques autres comme le stockage par air comprimeacute sont relativement moins chers

Le tableau B2 preacutesente quelques prix provisoires pour les diffeacuterentes technologies

examineacutees Il confirme que les CAES sont les moins oneacutereux agrave installer bien que le

stockage par batterie puisse aussi ecirctre bon marcheacute Ces valeurs sont agrave interpreacuteter avec

prudence particuliegraverement parce que beaucoup de ces technologies sont en

deacuteveloppement et que les prix tomberont probablement de faccedilon significative degraves quils

deviendront largement disponibles au niveau commercial

Consideacuterant lrsquoaspect eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage le rendement aller-retour

sera aussi un aspect agrave prendre en compte

Agrave lrsquoexception du CAES une uniteacute de stockage nrsquoutilise pas de combustible Ainsi il nrsquoy

a normalement aucun prix de combustible agrave consideacuterer Beaucoup de ces technologies

sont relativement faciles agrave faire fonctionner et agrave maintenir aussi


Tableau B2 Couts drsquoinvestissement des systegravemes de stockage drsquoeacutenergie [Source

Breeze 2005]

Technologie Cout ($kW)

Systegraveme de stockage agrave superconducteur 2000 ndash 3000 Stockage par batterie 500 ndash 1000 Systegraveme de stockage agrave air comprimeacute 400 Volant drsquoinertie 2000 Systegraveme de pompage drsquoeau 800 ndash 3500

En lignes geacuteneacuterales crsquoest la conversion de lrsquoeacutelectriciteacute au tarif de creux en eacutelectriciteacute en

tarif de pointe qui domine lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun systegraveme de stockage (Breeze

2005) Ce sera cette eacutequation donc qui deacuteterminera si le systegraveme est profitable ou pas

au niveau eacuteconomique

Les coucircts du systegraveme peuvent se deacutecomposer en trois points principaux (Ribeiro et al

2001) le systegraveme de stockage drsquoeacutenergie les systegravemes associeacutes (la reacutefrigeacuteration pour les

SMES est un sujet important) et le systegraveme de conversion de puissance Le coucirct du

systegraveme de stockage drsquoeacutenergie est principalement deacutecideacute par la quantiteacute deacutenergie agrave ecirctre

stockeacutee La configuration et la taille du systegraveme de conversion de puissance peuvent

devenir deacuteterminantes pour les applications de stockage agrave haute puissance et faible

eacutenergie Pour les applications de reacuteseau les estimations sont dans la gamme des $10K-

$100K par MJ pour le systegraveme de stockage Le coucirct estimeacute des systegravemes associeacutes est

dans la gamme de $2K-$15K par MJ Pour le systegraveme de conversion de puissance leur

coucirct est estimeacute entre les 150 $ agrave 250 $ par kW La raison de la large variation dans le

coucirct du systegraveme de conversion de puissance est sa deacutependance agrave la configuration du

systegraveme Par exemple si un SMES est connecteacute agrave un systegraveme AC en plus drsquoun hacheur

DC-DC il est neacutecessaire drsquoinclure un convertisseur source de tension ou un onduleur

source de courant mais si le SMES est connecteacute agrave un dispositif FACTS deacutejagrave existant

qui contient un bus DC seul le hacheur DC-DC sera neacutecessaire Donc le pourcentage

de coucirct relatif de chaque sous-systegraveme en ce qui concerne le coucirct de systegraveme total

deacutepend de la lrsquoapplication


La deacutereacutegulation en combinaison avec les limitations de la transmission et le manque de

geacuteneacuteration a reacutecemment changeacute les contraintes sur les reacuteseaux de puissance et a creacuteeacute

des situations ougrave les technologies de stockage drsquoeacutenergie peuvent jouer un rocircle tregraves

important dans le maintien de la fiabiliteacute de systegraveme et la qualiteacute de puissance La

capaciteacute drsquoamortir rapidement les oscillations reacutepondre aux changements soudains de la

charge fournir la charge pendant les interruptions de la transmission ou de la

distribution corriger des profils de tension de la charge avec un controcircle de puissance

reacuteactif rapide et permettre aux geacuteneacuterateurs drsquoeacutequilibrer la charge du systegraveme sans

modifier leur vitesse normale sont parmi les avantages issus de lrsquoutilisation des

dispositifs de stockage drsquoeacutenergie

Annexe C Le Coefficient de Puissance

Le coefficient de puissance Cp est caracteacuteristique de chaque type drsquoeacuteolienne et il nrsquoest

pas constant pour toutes les valeurs de la vitesse du vent speacutecialement si le systegraveme de

conversion nrsquoa pas de commande pour suivre le Cp maximal comme est le cas pour la

plupart des petites eacuteoliennes

Lrsquoeacutetude aeacuterodynamique des turbines eacuteoliennes deacutetermine que le Cp est deacutependant du

rapport de vitesses ou laquo tip speed ratio raquo λ Cette variable est deacutefinie par le rapport entre

la vitesse lineacuteaire agrave la pointe de la pale Ω R et la vitesse du vent v

v

RΩ=λ

Ω est la vitesse de rotation R est le rayon de pale de la turbine et v la vitesse du vent

Approximation par polynocircme

Une repreacutesentation des plus simples drsquoun groupe de point obtenus expeacuterimentalement

est la reacutegression polynomiale

Pour le cas en eacutetude lrsquoinformation est obtenue du travail de Borowy et Salameh (1999)

qui ont obtenu une approximation polynomiale du Cp pour un systegraveme eacuteolien de petite

taille

665432 01040( λλλλλλλ 10 sdot22minus 00060minus + 06020minus 1460+ 1080minus 0430 = ) minuspC

C-2 Contribution agrave lrsquoOptimisation drsquoun Systegraveme de hellip

La figure C1 montre la courbe du polynocircme anteacuterieur (bleu) Le problegraveme avec cette

repreacutesentation est qursquoelle ne montre pas les grandeurs drsquointeacuterecirct comme la valeur de Cp

maximale la valeur de λ pour Cp max (λopt) ougrave la valeur maximale de λ

0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

Polynomial curve fitting

Function Approximation

Figure C1 Approximation de Cp polynomiale (solide) et par fonction proposeacute par

Vannier Morales et Lopez (tirets)

De lrsquoanalyse du polynocircme le point de maximum local est obtenu

(λmax Cp max) = (68023 04264)

Le point de croisement par zeacutero est λ0 = 80776

Approximation laquo Vannier ndash Morales ndash Lopez raquo du Cp par fonction rationnelle

2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp

Annexe C Coefficient de Puissance C-3

Les paramegravetres G λ0 et a sont agrave deacuteterminer Une reacutegression non lineacuteaire doit se faire

pour trouver ces paramegravetres

Cette opeacuteration peut-ecirctre compliqueacutee Pour simplifier lrsquoobtention des paramegravetres

deacutesireacutes λ0 peut srsquoapproximer avec lrsquoinformation deacutejagrave agrave la main crsquoest le point ougrave la

courbe croise agrave nouveau lrsquoaxe des abscisses cest-agrave-dire une des racines du polynocircme

Donc une fois connus les coefficients de la reacutegression polynomiale il suffit de reacutesoudre

numeacuteriquement pour connaicirctre les racines et choisir celle qui est plus proche du point

Ce point peut srsquoeacutegaler agrave λ0 pour la reacutegression non lineacuteaire de la fonction proposeacutee

Faisant quelques opeacuterations algeacutebriques sur lrsquoeacutequation proposeacutee on arrive agrave la fonction

sous forme combinaison lineacuteaire suivante

0)()()()( 2

00

2 asympsdotminus+minussdot+sdot λλλλλλλ pp CGCa

Cette fonction peut srsquoeacutecrire de la faccedilon suivante

0)()()( asymp+sdot+sdot λλβλα hgf

Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)

g(λ) = λ (λ ndash λ0)

h(λ) = (λ0 ndash λ)2 Cp(λ)

Sous cette forme les paramegravetres α et β sont obtenus drsquoune simple reacutegression par

moindres carreacutes et les paramegravetres originaux a et G sont obtenus

βα

==

G

a


Les valeurs obtenues de la reacutesolution pour λ0 = 808 sont a = 156 et G = 019

Dans la figure C1 cette approximation est traceacutee en tirets verts

Un avantage de cette fonction est qursquoil est possible de savoir immeacutediatement le rapport

de vitesses maximal λ0 et indirectement la valeur approximeacutee de λ agrave laquelle le

coefficient de puissance est maximal (λopt asymp λ0 ndash a)

222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute

La demande eacutenergeacutetique mondiale en constante augmentation lrsquoinstabiliteacute et lrsquoincertitude du

prix des eacutenergies fossiles la libeacuteralisation du marcheacute eacutelectrique et une conscience

environnementale renforceacutee durant ces derniegraveres anneacutees ont renouveleacute lrsquointeacuterecirct du

deacuteveloppement des eacutenergies renouvelables Parmi elles lrsquoeacutenergie eacuteolienne deacutetient une

situation privileacutegieacutee gracircce agrave son progregraves technologique et agrave ses coucircts associeacutes

comparativement faibles

Dans ce contexte lrsquoapport envisageacute avec ce travail de thegravese est de collaborer agrave la conception

optimale drsquoun systegraveme de production eacuteolien isoleacute de petite taille pour les sites ougrave lrsquoextension

du reacuteseau est difficile ou trop coucircteuse

Un outil drsquooptimisation pour un systegraveme de geacuteneacuteration eacuteolien chargeur de batterie est proposeacute

et valideacute Le systegraveme de puissance est composeacute drsquoune quantiteacute minimale drsquoeacuteleacutements De cette

faccedilon la simpliciteacute du systegraveme permet de reacuteduire les efforts de maintenance et drsquoaugmenter sa

fiabiliteacute agrave un coucirct minimal

Lorsqursquoune production plus eacuteleveacutee est deacutesireacutee avec les mecircmes moyens de production (turbine

et geacuteneacuterateur) une structure qui inclut un convertisseur eacutelectronique de puissance commandeacute

par MLI est utile Un tel systegraveme est eacutetudieacute et veacuterifieacute par simulation numeacuterique Ce systegraveme

ainsi modifieacute permet un transfert de puissance optimal ce qui augmente la production

drsquoeacutenergie et peut ainsi reacuteduire son coucirct

Une meacutethode drsquoestimation des pertes dans les convertisseurs statiques est aussi proposeacutee et

valideacutee Elle est utiliseacutee pour calculer de faccedilon plus preacutecise lrsquoeacutenergie non fournie drsquoun

systegraveme de geacuteneacuteration hybride renouvelable installeacute en site isoleacute

THEgraveSE DE DOCTORAT

SPECIALITE PHYSIQUE

Ecole Doctorale laquo Sciences et Technologies de lrsquoInformation des

Teacuteleacutecommunications et des Systegravemes raquo

Preacutesenteacutee par

Miguel LOPEZ

Sujet

CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUN SYSTEME DE CONVERSION

EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE

i

Sommaire

Introduction 1


11 Introduction 5






1115 Le Transport 9






1141 Hydraulique 14























ii







17 Tendances 46




18 Conclusion 48


Nomenclature 49

21 Introduction 50







231 Contraintes 64





25 Conclusion 80


31 Introduction 81









Ajustables 90


Fixes 92




34 Conclusion 112

iii


Puissance 113

Nomenclature 113

41 Introduction 114















TransistorDiode 129








45 Conclusion 147



Annexes 157

Introduction










renouvelables




















siegravecles






















Introduction 3


vent
























































11 Introduction
















and Blaabjerg 2006)













eacutevoqueacutees

























Energie Primaire



19

Uranium16

Autres20

Charbon36


Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4


actuelle










aux cours drsquoeau












principalement)









1115 Le Transport



























2000 (Mons 2005)

























































































































1141 Hydraulique































maritimeshellip)



1143 lrsquoEolien



























radioactifs)




















































Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox












































































































Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load


















Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~








commande de tension






balais












Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~


variable

















compeacutetitif




























ACCE 2006)






























lrsquoeacuteolienne










































































































































puissance































charge









Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller



















Wind turbine


AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus


WT inverter and




























Puissance

installeacutee (kW)




moins de 1 kW


















100 80 60 40 20




Micro systegraveme




Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

























pour compenser

































70


Hydraulique 16


glace


70




























Coyhaique









































































1622 Parcs Eoliens













eacuteoliennes







































17 Tendances





























































18 Conclusion














Nomenclature
























21 Introduction

















Commande




































G

v

M


bridge

DC bus

Battery

bank





3)(2







TSR v

RΩ== λ (22)









2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GC p

(23)







Ωsdot=Ω MG (24)






( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)



( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot


λλρ

(26)









e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash





sdot== r

reE

2

2

22



2 (27)






ω = 2π f)





+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c
















1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic



Ubatt)









sdot


0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)



π2=acG (210)







3 (211)









=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)






( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi


=



( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR


= 222222

22

1 (214)






33 (215)


( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR


+sdot= 22222

222

3 (216)








( )


+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)




( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)








Rayon (R) 18 m








Gain (G) 019

Facteur (a) 156












0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms










ou eacutelectriques




de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

















0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275

















batterie
















tuM

Ps ][

max





231 Contraintes












pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)
















r

S

Sr

uue


incutincut vMp

R

v

R


0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)





tuM

Ps ][

max



M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot


s

r

vM

u

p

R

0λ

















( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

























se














vent choisies








3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]














vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)





210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms








retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms









deacutecroissante











































forme optimale


3)(2





3

2





Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)





( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ


la machine est

intΩ

Ω


min

)()( dMuPPAAA mimi



intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)




intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm












ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)



P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax


Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ



sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)











imaginaire (231)






ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin







utiliseacutee



retenu







+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS





iteacuteration







241 Reacutesultats













Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322











cas (figure 212b)






0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)





20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)




25 Conclusion






machine








le systegraveme







31 Introduction








































vitesse du vent






eacuteolienne



















P


PN










3

2

1vCAP pρ=

(31)


















(Source Hau 2006)
















Control)






vent


(Source Hau 2006)

























































prend place























Pales Ajustables

































(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control




Pales Fixes




















3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

































wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency


battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D














de la machine










lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D


wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D






















wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D












G

v

M


bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter












ACDC







L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


eacuteolien




2005)




































0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)


































vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)



31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)


3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM


utiliseacutee








PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v






rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU


asymp


ˆ

ˆ

ω (35)



















SRDC uGV sdot=




DV

V

i

o = (37)



conversion





REFDC

BattBuck

V

VD = (38)




DV

V

i

o

minus=1

1 (39)



maintient ouverte)


est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)














VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver


3225 Reacutesultats



















0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]


eacuteolien












0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]


0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]


de puissance fixe






lrsquoentreacutee














dans le tableau 31















Ψr = 01827 Wb

p = 4







01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed



015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

















01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]




015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]






signaux AC




courants AC









34 Conclusion


















Nomenclature




































41 Introduction












































Modulation)













utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD




la diode

2


1)



lrsquoonduleur










par le transistor

2


2)














D1

D4

VA iLA io


iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io











LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30


π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23


(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)





2326


(4

5)

22


(4

6)














RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD




















T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)







( )( ) ( )( ) 2 1

3











relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io






DVv DC sdot=


)2sin(2

)( tfM



















++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)



































1 (421)





















srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats












le tableau 41


Diode Standard












courant nominal



iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp


2

η



augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]



0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]














0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08















tableau 42


TransistorDiode












0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]
































L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash








correspondants

































20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total







semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

























cascade
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

















pointilleacutee



Paramegravetre IGBT



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total



MOSFET











Hybride
































G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load


















Vannier 2004)




















est de 138 kWh




Source Valeurs






















renouvelable

0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0


Time (Hours)

Wh





0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh




45 Conclusion






















































Perspectives












peut proposer















proposeacutes























Paris XI France


















Conversion 14(4) 1630-1635





McGrawHill








Springer Germany




















Springer Germany










Futur France

















14(4) 1617-1623


Prentice Hall






httpwwwwindpowerorg





























Configuration



70 180


77 192



41 169



17 110


11 100

























Torque T

Torque T


Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang


load spectrum

Teq

TN































Entrainement Direct



































demande





















































long terme








Breeze 2005]













puissance




























distribution








































































































































2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries











environ 100 ms









potentiel






reacuteussies


Stockage





agrave gaz











extrecircme

























































Breeze 2005]











































v

RΩ=λ







taille






0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp






(λmax Cp max) = (68023 04264)



2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp












0)()()()( 2

00




Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)





βα

==

G

a







222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute






















i

Sommaire

Introduction 1


11 Introduction 5






1115 Le Transport 9






1141 Hydraulique 14























ii







17 Tendances 46




18 Conclusion 48


Nomenclature 49

21 Introduction 50







231 Contraintes 64





25 Conclusion 80


31 Introduction 81









Ajustables 90


Fixes 92




34 Conclusion 112

iii


Puissance 113

Nomenclature 113

41 Introduction 114















TransistorDiode 129








45 Conclusion 147



Annexes 157

Introduction










renouvelables




















siegravecles






















Introduction 3


vent
























































11 Introduction
















and Blaabjerg 2006)













eacutevoqueacutees

























Energie Primaire



19

Uranium16

Autres20

Charbon36


Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4


actuelle










aux cours drsquoeau












principalement)









1115 Le Transport



























2000 (Mons 2005)

























































































































1141 Hydraulique































maritimeshellip)



1143 lrsquoEolien



























radioactifs)




















































Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox












































































































Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load


















Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~








commande de tension






balais












Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~


variable

















compeacutetitif




























ACCE 2006)






























lrsquoeacuteolienne










































































































































puissance































charge









Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller



















Wind turbine


AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus


WT inverter and




























Puissance

installeacutee (kW)




moins de 1 kW


















100 80 60 40 20




Micro systegraveme




Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

























pour compenser

































70


Hydraulique 16


glace


70




























Coyhaique









































































1622 Parcs Eoliens













eacuteoliennes







































17 Tendances





























































18 Conclusion














Nomenclature
























21 Introduction

















Commande




































G

v

M


bridge

DC bus

Battery

bank





3)(2







TSR v

RΩ== λ (22)









2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GC p

(23)







Ωsdot=Ω MG (24)






( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)



( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot


λλρ

(26)









e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash





sdot== r

reE

2

2

22



2 (27)






ω = 2π f)





+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c
















1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic



Ubatt)









sdot


0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)



π2=acG (210)







3 (211)









=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)






( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi


=



( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR


= 222222

22

1 (214)






33 (215)


( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR


+sdot= 22222

222

3 (216)








( )


+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)




( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)








Rayon (R) 18 m








Gain (G) 019

Facteur (a) 156












0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms










ou eacutelectriques




de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

















0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275

















batterie
















tuM

Ps ][

max





231 Contraintes












pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)
















r

S

Sr

uue


incutincut vMp

R

v

R


0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)





tuM

Ps ][

max



M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot


s

r

vM

u

p

R

0λ

















( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

























se














vent choisies








3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]














vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)





210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms








retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms









deacutecroissante











































forme optimale


3)(2





3

2





Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)





( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ


la machine est

intΩ

Ω


min

)()( dMuPPAAA mimi



intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)




intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm












ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)



P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax


Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ



sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)











imaginaire (231)






ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin







utiliseacutee



retenu







+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS





iteacuteration







241 Reacutesultats













Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322











cas (figure 212b)






0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)





20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)




25 Conclusion






machine








le systegraveme







31 Introduction








































vitesse du vent






eacuteolienne



















P


PN










3

2

1vCAP pρ=

(31)


















(Source Hau 2006)
















Control)






vent


(Source Hau 2006)

























































prend place























Pales Ajustables

































(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control




Pales Fixes




















3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

































wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency


battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D














de la machine










lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D


wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D






















wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D












G

v

M


bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter












ACDC







L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


eacuteolien




2005)




































0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)


































vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)



31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)


3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM


utiliseacutee








PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v






rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU


asymp


ˆ

ˆ

ω (35)



















SRDC uGV sdot=




DV

V

i

o = (37)



conversion





REFDC

BattBuck

V

VD = (38)




DV

V

i

o

minus=1

1 (39)



maintient ouverte)


est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)














VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver


3225 Reacutesultats



















0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]


eacuteolien












0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]


0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]


de puissance fixe






lrsquoentreacutee














dans le tableau 31















Ψr = 01827 Wb

p = 4







01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed



015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

















01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]




015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]






signaux AC




courants AC









34 Conclusion


















Nomenclature




































41 Introduction












































Modulation)













utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD




la diode

2


1)



lrsquoonduleur










par le transistor

2


2)














D1

D4

VA iLA io


iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io











LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30


π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23


(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)





2326


(4

5)

22


(4

6)














RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD




















T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)







( )( ) ( )( ) 2 1

3











relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io






DVv DC sdot=


)2sin(2

)( tfM



















++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)



































1 (421)





















srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats












le tableau 41


Diode Standard












courant nominal



iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp


2

η



augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]



0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]














0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08















tableau 42


TransistorDiode












0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]
































L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash








correspondants

































20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total







semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

























cascade
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

















pointilleacutee



Paramegravetre IGBT



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total



MOSFET











Hybride
































G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load


















Vannier 2004)




















est de 138 kWh




Source Valeurs






















renouvelable

0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0


Time (Hours)

Wh





0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh




45 Conclusion






















































Perspectives












peut proposer















proposeacutes























Paris XI France


















Conversion 14(4) 1630-1635





McGrawHill








Springer Germany




















Springer Germany










Futur France

















14(4) 1617-1623


Prentice Hall






httpwwwwindpowerorg





























Configuration



70 180


77 192



41 169



17 110


11 100

























Torque T

Torque T


Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang


load spectrum

Teq

TN































Entrainement Direct



































demande





















































long terme








Breeze 2005]













puissance




























distribution








































































































































2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries











environ 100 ms









potentiel






reacuteussies


Stockage





agrave gaz











extrecircme

























































Breeze 2005]











































v

RΩ=λ







taille






0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp






(λmax Cp max) = (68023 04264)



2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp












0)()()()( 2

00




Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)





βα

==

G

a







222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute






















ii







17 Tendances 46




18 Conclusion 48


Nomenclature 49

21 Introduction 50







231 Contraintes 64





25 Conclusion 80


31 Introduction 81









Ajustables 90


Fixes 92




34 Conclusion 112

iii


Puissance 113

Nomenclature 113

41 Introduction 114















TransistorDiode 129








45 Conclusion 147



Annexes 157

Introduction










renouvelables




















siegravecles






















Introduction 3


vent
























































11 Introduction
















and Blaabjerg 2006)













eacutevoqueacutees

























Energie Primaire



19

Uranium16

Autres20

Charbon36


Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4


actuelle










aux cours drsquoeau












principalement)









1115 Le Transport



























2000 (Mons 2005)

























































































































1141 Hydraulique































maritimeshellip)



1143 lrsquoEolien



























radioactifs)




















































Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox












































































































Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load


















Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~








commande de tension






balais












Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~


variable

















compeacutetitif




























ACCE 2006)






























lrsquoeacuteolienne










































































































































puissance































charge









Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller



















Wind turbine


AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus


WT inverter and




























Puissance

installeacutee (kW)




moins de 1 kW


















100 80 60 40 20




Micro systegraveme




Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

























pour compenser

































70


Hydraulique 16


glace


70




























Coyhaique









































































1622 Parcs Eoliens













eacuteoliennes







































17 Tendances





























































18 Conclusion














Nomenclature
























21 Introduction

















Commande




































G

v

M


bridge

DC bus

Battery

bank





3)(2







TSR v

RΩ== λ (22)









2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GC p

(23)







Ωsdot=Ω MG (24)






( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)



( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot


λλρ

(26)









e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash





sdot== r

reE

2

2

22



2 (27)






ω = 2π f)





+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c
















1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic



Ubatt)









sdot


0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)



π2=acG (210)







3 (211)









=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)






( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi


=



( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR


= 222222

22

1 (214)






33 (215)


( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR


+sdot= 22222

222

3 (216)








( )


+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)




( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)








Rayon (R) 18 m








Gain (G) 019

Facteur (a) 156












0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms










ou eacutelectriques




de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

















0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275

















batterie
















tuM

Ps ][

max





231 Contraintes












pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)
















r

S

Sr

uue


incutincut vMp

R

v

R


0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)





tuM

Ps ][

max



M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot


s

r

vM

u

p

R

0λ

















( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

























se














vent choisies








3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]














vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)





210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms








retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms









deacutecroissante











































forme optimale


3)(2





3

2





Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)





( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ


la machine est

intΩ

Ω


min

)()( dMuPPAAA mimi



intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)




intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm












ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)



P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax


Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ



sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)











imaginaire (231)






ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin







utiliseacutee



retenu







+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS





iteacuteration







241 Reacutesultats













Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322











cas (figure 212b)






0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)





20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)




25 Conclusion






machine








le systegraveme







31 Introduction








































vitesse du vent






eacuteolienne



















P


PN










3

2

1vCAP pρ=

(31)


















(Source Hau 2006)
















Control)






vent


(Source Hau 2006)

























































prend place























Pales Ajustables

































(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control




Pales Fixes




















3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

































wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency


battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D














de la machine










lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D


wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D






















wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D












G

v

M


bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter












ACDC







L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


eacuteolien




2005)




































0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)


































vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)



31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)


3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM


utiliseacutee








PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v






rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU


asymp


ˆ

ˆ

ω (35)



















SRDC uGV sdot=




DV

V

i

o = (37)



conversion





REFDC

BattBuck

V

VD = (38)




DV

V

i

o

minus=1

1 (39)



maintient ouverte)


est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)














VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver


3225 Reacutesultats



















0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]


eacuteolien












0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]


0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]


de puissance fixe






lrsquoentreacutee














dans le tableau 31















Ψr = 01827 Wb

p = 4







01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed



015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

















01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]




015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]






signaux AC




courants AC









34 Conclusion


















Nomenclature




































41 Introduction












































Modulation)













utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD




la diode

2


1)



lrsquoonduleur










par le transistor

2


2)














D1

D4

VA iLA io


iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io











LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30


π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23


(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)





2326


(4

5)

22


(4

6)














RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD




















T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)







( )( ) ( )( ) 2 1

3











relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io






DVv DC sdot=


)2sin(2

)( tfM



















++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)



































1 (421)





















srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats












le tableau 41


Diode Standard












courant nominal



iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp


2

η



augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]



0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]














0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08















tableau 42


TransistorDiode












0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]
































L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash








correspondants

































20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total







semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

























cascade
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

















pointilleacutee



Paramegravetre IGBT



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total



MOSFET











Hybride
































G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load


















Vannier 2004)




















est de 138 kWh




Source Valeurs






















renouvelable

0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0


Time (Hours)

Wh





0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh




45 Conclusion






















































Perspectives












peut proposer















proposeacutes























Paris XI France


















Conversion 14(4) 1630-1635





McGrawHill








Springer Germany




















Springer Germany










Futur France

















14(4) 1617-1623


Prentice Hall






httpwwwwindpowerorg





























Configuration



70 180


77 192



41 169



17 110


11 100

























Torque T

Torque T


Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang


load spectrum

Teq

TN































Entrainement Direct



































demande





















































long terme








Breeze 2005]













puissance




























distribution








































































































































2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries











environ 100 ms









potentiel






reacuteussies


Stockage





agrave gaz











extrecircme

























































Breeze 2005]











































v

RΩ=λ







taille






0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp






(λmax Cp max) = (68023 04264)



2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp












0)()()()( 2

00




Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)





βα

==

G

a







222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute






















iii


Puissance 113

Nomenclature 113

41 Introduction 114















TransistorDiode 129








45 Conclusion 147



Annexes 157

Introduction










renouvelables




















siegravecles






















Introduction 3


vent
























































11 Introduction
















and Blaabjerg 2006)













eacutevoqueacutees

























Energie Primaire



19

Uranium16

Autres20

Charbon36


Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4


actuelle










aux cours drsquoeau












principalement)









1115 Le Transport



























2000 (Mons 2005)

























































































































1141 Hydraulique































maritimeshellip)



1143 lrsquoEolien



























radioactifs)




















































Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox












































































































Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load


















Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~








commande de tension






balais












Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~


variable

















compeacutetitif




























ACCE 2006)






























lrsquoeacuteolienne










































































































































puissance































charge









Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller



















Wind turbine


AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus


WT inverter and




























Puissance

installeacutee (kW)




moins de 1 kW


















100 80 60 40 20




Micro systegraveme




Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

























pour compenser

































70


Hydraulique 16


glace


70




























Coyhaique









































































1622 Parcs Eoliens













eacuteoliennes







































17 Tendances





























































18 Conclusion














Nomenclature
























21 Introduction

















Commande




































G

v

M


bridge

DC bus

Battery

bank





3)(2







TSR v

RΩ== λ (22)









2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GC p

(23)







Ωsdot=Ω MG (24)






( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)



( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot


λλρ

(26)









e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash





sdot== r

reE

2

2

22



2 (27)






ω = 2π f)





+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c
















1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic



Ubatt)









sdot


0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)



π2=acG (210)







3 (211)









=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)






( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi


=



( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR


= 222222

22

1 (214)






33 (215)


( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR


+sdot= 22222

222

3 (216)








( )


+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)




( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)








Rayon (R) 18 m








Gain (G) 019

Facteur (a) 156












0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms










ou eacutelectriques




de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

















0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275

















batterie
















tuM

Ps ][

max





231 Contraintes












pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)
















r

S

Sr

uue


incutincut vMp

R

v

R


0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)





tuM

Ps ][

max



M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot


s

r

vM

u

p

R

0λ

















( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

























se














vent choisies








3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]














vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)





210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms








retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms









deacutecroissante











































forme optimale


3)(2





3

2





Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)





( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ


la machine est

intΩ

Ω


min

)()( dMuPPAAA mimi



intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)




intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm












ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)



P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax


Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ



sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)











imaginaire (231)






ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin







utiliseacutee



retenu







+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS





iteacuteration







241 Reacutesultats













Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322











cas (figure 212b)






0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)





20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)




25 Conclusion






machine








le systegraveme







31 Introduction








































vitesse du vent






eacuteolienne



















P


PN










3

2

1vCAP pρ=

(31)


















(Source Hau 2006)
















Control)






vent


(Source Hau 2006)

























































prend place























Pales Ajustables

































(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control




Pales Fixes




















3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

































wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency


battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D














de la machine










lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D


wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D






















wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D












G

v

M


bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter












ACDC







L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


eacuteolien




2005)




































0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)


































vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)



31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)


3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM


utiliseacutee








PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v






rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU


asymp


ˆ

ˆ

ω (35)



















SRDC uGV sdot=




DV

V

i

o = (37)



conversion





REFDC

BattBuck

V

VD = (38)




DV

V

i

o

minus=1

1 (39)



maintient ouverte)


est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)














VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver


3225 Reacutesultats



















0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]


eacuteolien












0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]


0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]


de puissance fixe






lrsquoentreacutee














dans le tableau 31















Ψr = 01827 Wb

p = 4







01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed



015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

















01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]




015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]






signaux AC




courants AC









34 Conclusion


















Nomenclature




































41 Introduction












































Modulation)













utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD




la diode

2


1)



lrsquoonduleur










par le transistor

2


2)














D1

D4

VA iLA io


iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io











LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30


π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23


(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)





2326


(4

5)

22


(4

6)














RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD




















T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)







( )( ) ( )( ) 2 1

3











relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io






DVv DC sdot=


)2sin(2

)( tfM



















++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)



































1 (421)





















srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats












le tableau 41


Diode Standard












courant nominal



iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp


2

η



augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]



0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]














0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08















tableau 42


TransistorDiode












0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]
































L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash








correspondants

































20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total







semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

























cascade
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

















pointilleacutee



Paramegravetre IGBT



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total



MOSFET











Hybride
































G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load


















Vannier 2004)




















est de 138 kWh




Source Valeurs






















renouvelable

0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0


Time (Hours)

Wh





0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh




45 Conclusion






















































Perspectives












peut proposer















proposeacutes























Paris XI France


















Conversion 14(4) 1630-1635





McGrawHill








Springer Germany




















Springer Germany










Futur France

















14(4) 1617-1623


Prentice Hall






httpwwwwindpowerorg





























Configuration



70 180


77 192



41 169



17 110


11 100

























Torque T

Torque T


Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang


load spectrum

Teq

TN































Entrainement Direct



































demande





















































long terme








Breeze 2005]













puissance




























distribution








































































































































2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries











environ 100 ms









potentiel






reacuteussies


Stockage





agrave gaz











extrecircme

























































Breeze 2005]











































v

RΩ=λ







taille






0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp






(λmax Cp max) = (68023 04264)



2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp












0)()()()( 2

00




Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)





βα

==

G

a







222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute






















Introduction










renouvelables




















siegravecles






















Introduction 3


vent
























































11 Introduction
















and Blaabjerg 2006)













eacutevoqueacutees

























Energie Primaire



19

Uranium16

Autres20

Charbon36


Autres34

Electriciteacute14

Gaz Naturel19

Peacutetrole19

Charbon14

Industrie (25 )

Gaz Naturel18

Electriciteacute17

Autres17

Peacutetrole17

Charbon31

Transport (16 )

Peacutetrole96

Gaz4


actuelle










aux cours drsquoeau












principalement)









1115 Le Transport



























2000 (Mons 2005)

























































































































1141 Hydraulique































maritimeshellip)



1143 lrsquoEolien



























radioactifs)




















































Wind turbine

Electric Generator

Speed-up Gearbox












































































































Rotor

Gearbox

SCIG

Capacitors

Utility grid or

Electric load


















Rotor

Gearbox WRIG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~








commande de tension






balais












Rotor

Gearbox

PMSG WRSG

Frequency converter

Utility grid or

Electric load

~ ~


variable

















compeacutetitif




























ACCE 2006)






























lrsquoeacuteolienne










































































































































puissance































charge









Wind turbine

Battery Bank

Inverter

AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

DC bus

DC loads

PV controller

WT controller



















Wind turbine


AC loads

= ~

PV array

Diesel generator

AC bus


WT inverter and




























Puissance

installeacutee (kW)




moins de 1 kW


















100 80 60 40 20




Micro systegraveme




Ile de Froslashya

Ile de Foula

Ile de Rathlin

Cape Clear

Masabit

La Deacutesirade

Dachen

Denham

Sal

Mindelo

Danemark (2030)

Danemark (1998)

Aujourdrsquohui

Futur

























pour compenser

































70


Hydraulique 16


glace


70




























Coyhaique









































































1622 Parcs Eoliens













eacuteoliennes







































17 Tendances





























































18 Conclusion














Nomenclature
























21 Introduction

















Commande




































G

v

M


bridge

DC bus

Battery

bank





3)(2







TSR v

RΩ== λ (22)









2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GC p

(23)







Ωsdot=Ω MG (24)






( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

RvMpvMpa

RvMpGRAPt sdot

minus+minussdot=

ωλωλωρ

(25)



( )3

2

0

2

0

)(

)(

2v

Rvva

RvGRAPt sdot


λλρ

(26)









e

+

LS

uS

+

ndash

iS

RS

iS uS

e

δ

ZS iS XL iS

RS iS

ndash

ndash ndash

ndash ndash ndash





sdot== r

reE

2

2

22



2 (27)






ω = 2π f)





+ LS iSa

uSa

+

+

1 3 5

4 6 2

ea

Ubatt

+

a

b

c
















1 4

6 3 6

5 2 5

+U +U

ndashU ndashU

uab

+U +U

ndashU ndashU

ubc

+U

2U

ndashU ndashU

3 uSa +U

ndash2U

ia

ib

ic



Ubatt)









sdot


0121

111

112

3

1bc

ab

c

b

a

u

u

u

u

u

(29)



π2=acG (210)







3 (211)









=SL

sSS

SiXe

uiReiF

δδ

δsin

cos)( (213)






( ) ( )22

222222

21

LS

SLSSSSS

SXR

ueXRuRuRi


=



( ) ( )[ ]SSSLSSS

LS

S uRueXRuRXR


= 222222

22

1 (214)






33 (215)


( )[ ]SSSLS

LS

Sm uRueXeR

XR


+sdot= 22222

222

3 (216)








( )


+sdot= SSSrSrS

SS

Sm uRuLR

LR

uP 222222

2222

3 ωψψωω

(217)




( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ (218)








Rayon (R) 18 m








Gain (G) 019

Facteur (a) 156












0 100 200 300 400 500 600 7000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

P [

W]

Ω [rpm]

v = 1 msv = 3 ms

v = 5 ms

v = 7 ms

v = 9 ms

v = 11 msv = 13 ms










ou eacutelectriques




de M constante

0 500 1000 15000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

12 V

24 V

36 V48 V

60 V

















0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

500

1000

1500

P [

W]

Ω [rpm]

M = 175

M = 20

M = 225M = 25

M = 275

















batterie
















tuM

Ps ][

max





231 Contraintes












pour M

N

NGM

ΩΩ

=

max (219)
















r

S

Sr

uue


incutincut vMp

R

v

R


0

ωλ

M

u

p

Ru

Mp

R

Mp

Rv S

rr

Sincut sdot

sdotΨsdot=

Ψsdot

sdotsdot=

sdotsdot=rArr minus

000

min

λλλω

(221)





tuM

Ps ][

max



M isin

ΩΩ

N

NGen 1

uS isin [ ]Nu0

iS isin [ ]Ni0

ω isin

Ψ Ns

r

u ω1

v isin

sdot


s

r

vM

u

p

R

0λ

















( )

Mpp

MG sdotΩsdot=rArr

Ωsdot=Ωsdot=Ω ω

ω (222)

























se














vent choisies








3 113 670

4 151 1588

5 189 3101

6 226 5358

7 264 8508

8 302 1270

9 340 1808

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12

Wind speed [ms]

Opt

imal

WT

pow

er [W

]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Opt

imal

roto

r spe

ed [r

ads

]














vRv

R sdot=ΩrArrΩ=

λλ (223)





210

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

freq

uenc

y [ra

ds]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms








retrouveacutee


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250

Battery voltage [V]

Opt

imal

gea

rbox

ratio

[-]

3 ms

4 ms

5 ms

6 ms

7 ms

8 ms

9 ms









deacutecroissante











































forme optimale


3)(2





3

2





Ω=Ω=rArrΩ=

λλλ RR

vv

R (225)

3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(226)





( )( ) ( )[ ] SSSrSrS

SS

S uRuMpLRMpMLpR

u


Ω+sdot= 2222

22

2

3 ψψ


la machine est

intΩ

Ω


min

)()( dMuPPAAA mimi



intΩ

Ω

ΩΩminusΩ=max

min

)()(min][

dMuPPA miuM

(227)




intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dPA ii intΩ

Ω

ΩΩ=max

min

)( dMuPA mm












ΩleΩleΩ

ΩleΩleΩΩsdot

sdotsdotsdotsdot=

max

min

3

3

2

1

CN

Cpi

P

RCA

P λρ

(228)



P

Ω Ωmin

PN

ΩC Ωmax


Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

dPdR

CAdPAN

C

C

NpMii

min

3

3

max

min2

1)(

λρ

rArr Ω+ΩΩ


Ω

Ω

Ω

dPdR

CAAN

C

C

NpMi

min

3

3

2

1

λρ



sdotsdotsdot= 4

min

4

3

8

1

λρ (229)











imaginaire (231)






ΩΩ

isinN

NGenM

1

[ ]NS uu 0isin







utiliseacutee



retenu







+

minusminus

sdot

=

min

min

minmax

minmax

0

0

M

u

MM

uu

r

r

M

u

M

uS





iteacuteration







241 Reacutesultats













Cas A Ai uS M

I 01919 299933 25338

II 02075 315285 23975

III 02303 323938 22885

IV 02444 325845 22381

V 02769 329100 21322











cas (figure 212b)






0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(a)

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

500

1000

1500


Pow

er [

W]

(b)





20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(a)

20 30 40 50 60 70 80 901

12

14

16

18

2

22

24

26

28

Peak Voltage u [V]

Gea

rbox

Rat

io M

[-]

(b)




25 Conclusion






machine








le systegraveme







31 Introduction








































vitesse du vent






eacuteolienne



















P


PN










3

2

1vCAP pρ=

(31)


















(Source Hau 2006)
















Control)






vent


(Source Hau 2006)

























































prend place























Pales Ajustables

































(Source Hau 2006)

Wind turbine

Electric

Generator

v

P ω

β

Τ

ωREF +

ndash

Proportional

Controller

Torque

Non linear

Control




Pales Fixes




















3

3

2

1)( Ω

sdotsdotsdot==Ωλ

ρ RCAPP pMti

(32)

































wind

turbine

WRSG rectifier

~

= ~

chopper

=

=

frequency


battery

bank load

f

Vb Io

D

Field

winding

D














de la machine










lrsquoonduleur

wind

turbine

PMSG controlled

rectifier

~

= ~

chopper

(MPPT)

=

=

control unit

battery

bank

load

input

signals

α

PV array

~

=

inverter

M f

α

D

D


wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

battery

bank load

ωg

PAC

D






















wind

turbine

PMSG

rectifier

~

= ~ chopper

=

=

control unit

(ωe to VDC)

battery

bank load

ωe

D












G

v

M


bridge

Output DC

bus

Battery

bank

=

=

dcdc

Converter












ACDC







L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


eacuteolien




2005)




































0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

P [

W]

Ω [rpm]

(b)


































vRv

R

λλ =ΩrArr

Ωsdot= (33)



31

33

3

2

1)(

=ΩrArrΩsdot=Ω

sdotsdotsdot=Ωk

Pk

RCAP pM λ

ρ (34)


3

2

1

sdotsdotsdotλ

ρ RCA pM


utiliseacutee








PI

Controller

ΩREF

Ω

F-F Speed

Control

VDC REF

R

λ

v






rGRDC

s

rGr

sDC

pGU

eu

pe

uGU


asymp


ˆ

ˆ

ω (35)



















SRDC uGV sdot=




DV

V

i

o = (37)



conversion





REFDC

BattBuck

V

VD = (38)




DV

V

i

o

minus=1

1 (39)



maintient ouverte)


est simplement

Batt

iBoost

V

VD

1minus= (310)














VDC REF

VBatt

divide

1

divide

PWM

PWM

Boost Driver

Buck Driver


3225 Reacutesultats



















0 02 04 06 08 1 12 14 160

20

40

60

80

100

120

140

Time [s]

Ω [ra

ds]


eacuteolien












0 01 02 03 04 05 06 07 080

20

40

60

80

Vol

tage

[V

]


0 01 02 03 04 05 06 07 080

10

20

30

time [s]

Cur

rent

[A

]


de puissance fixe






lrsquoentreacutee














dans le tableau 31















Ψr = 01827 Wb

p = 4







01 015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [s]

Ω [

rad

s]

Speed Ref

Speed



015 02 025 03 035 040

10

20

30

40

50

60

70

80

90

















01 015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100

Sys

tem

Vol

tage

s [V

]

01 015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]




015 02 025 03 035 04

-50

0

50

100S

yste

m V

olta

ges

[V]

015 02 025 03 035 04

-4

-2

0

2

4

6

Time [s]

Sys

tem

Cur

rent

s [A

]






signaux AC




courants AC









34 Conclusion


















Nomenclature




































41 Introduction












































Modulation)













utiliseacutee

ideal diode VD rD

iD




la diode

2


1)



lrsquoonduleur










par le transistor

2


2)














D1

D4

VA iLA io


iLA

ωt π

2π iD1

iD4

Io io











LLLmm

T

iiiItdtIdtiT

I 35123

233

)()sin(2

6132

30


π

π

π

LL

m

T

DD ii

tdtIdtiT

Iππ

ωωπ

π 2

2

22)()sin(

2

11

00

==== intint

ooLD IIiI3

1

23


(4

3)

Lmmm

m

T

DRMSD iIII

tdtIdtiT

i2

2

2422)()(sin

2

11 22

0

22

0

2 ====== intint

ππ

ωωπ

π

ooLRMSD IIii6232

2

2

2

ππ =sdotsdot== (4

4)





2326


(4

5)

22


(4

6)














RMS

iL

IL

t T DT 2T

∆iL

iT

iD




















T

tD ON=

OFFON ttT +=

LT IDI sdot= (47)







( )( ) ( )( ) 2 1

3











relation suivante

)2sin(22

1)( tf

MtD πsdot+= (415)


VDC vo

io






DVv DC sdot=


)2sin(2

)( tfM



















++

+= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mTmTT (418)

minus+

minus= ϕππ

ϕππ

cos3

2

42cos

41

2

2MIr

MIV

p mDmDD (419)

( )DTacdc ppp += 6 (420)



































1 (421)





















srN

N

mmonc ftI

IVp

2

8

1= (42

2)

+=

N

msfNmmoffc

I

IftIVp

24

1

3

1 π

(42

3)

sdot

+++sdot

+= rrN

N

m

N

mrrNm

N

msmrr Q

I

I

I

ItI

I

IfVp

2

0150380

28005080

ππ

(42

4)

43 Reacutesultats












le tableau 41


Diode Standard












courant nominal



iVk

R

iVk

Ri

iVk

p

P

pPi

P

P losses

i

losses

i

o

sdotminus=

sdotsdotminusasymp


2

η



augmente

0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

963

964

965

966

967

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]



0 5 10 150

500

1000

Output Current [A]

Pow

er [

W]

0 5 10 150

10

20

30

40

Output Current [A]

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[]














0 2 4 6 8 10 12 140

10

20

30

40

Pow

er L

osse

s [W

]

0 2 4 6 8 10 12 14962

964

966

968

97

Output Current [A]

Eff

icie

ncy

[] 6F(R)

10ETS08















tableau 42


TransistorDiode












0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

2

4

6

8

10

12

Duty Cycle

Pow

er L

osse

s [W

]
































L1

C1 Q1 D2

L2 D1

Q2

C2 Vi Vo

+ +


C

D

Vi Vo

+

+

L

Q ndash

ndash








correspondants

































20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

Buc

k

Power Losses [W]

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

Boo

st

20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

Buc

k-B

oost

Vi[V]

T

D

T+DSw

Total







semi-conducteurs

10 20 30 40 50 60 70 80 9020

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Vi[V]

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 904

6

8

10

12

14

16

18

20

Vi[V]

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Buck

BoostBuck-Boost



10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

Vi[V]

Tot

al L

osse

s [W

] Buck

Boost

Buck-Boost

10 20 30 40 50 60 70 80 9070

80

90

100

Vi[V]

Eff

icie

ncy

[]

























cascade
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W] Transistor

Diode

Inverter

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

Switching















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

100

200

300

400

500

Tot

al L

osse

s [W

] Conduction losses

Switching losses

Total

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450070

75

80

85

90

95

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

















pointilleacutee



Paramegravetre IGBT



0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

50

100

150

Con

duct

ion

Loss

es [

W]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Sw

itchi

ng L

osse

s [W

]

Output Power [W]

Turn on

Turn off

IGBT Inverter

MOS Inverter

IGBT

Internal Diode

IGBT Inverter

MOS Inverter
















0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

200

400

600

Tot

al L

osse

s [W

]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500070

80

90

100

Eff

icie

ncy

[]

Output Power [W]

Conduction losses

Switching losses

IGBT Total

MOSFET Total



MOSFET











Hybride
































G

G

= ~

= =

Diesel Generator

Wind Turbine

Photovoltaic Array

Battery Bank

DC Bus AC Bus

AC Load


















Vannier 2004)




















est de 138 kWh




Source Valeurs






















renouvelable

0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-2000

0


Time (Hours)

Wh





0


W

0

1000


W

0

1000


W

0

500


W

0

5000

10000Load

W

0 5 10 15 20 25-5000

0


Time (Hours)

Wh




45 Conclusion






















































Perspectives












peut proposer















proposeacutes























Paris XI France


















Conversion 14(4) 1630-1635





McGrawHill








Springer Germany




















Springer Germany










Futur France

















14(4) 1617-1623


Prentice Hall






httpwwwwindpowerorg





























Configuration



70 180


77 192



41 169



17 110


11 100

























Torque T

Torque T


Low

cycle fatigue rang

High

cycle fatigue rang

Infinite

cycle fatigue rang


load spectrum

Teq

TN































Entrainement Direct



































demande





















































long terme








Breeze 2005]













puissance




























distribution








































































































































2002 (Breeze 2005)

B34 Flow Batteries











environ 100 ms









potentiel






reacuteussies


Stockage





agrave gaz











extrecircme

























































Breeze 2005]











































v

RΩ=λ







taille






0 1 2 3 4 5 6 7 80

005

01

015

02

025

03

035

04

045

λ

Cp






(λmax Cp max) = (68023 04264)



2

0

2

0

)(

)()(

λλλλλλ


a

GCp












0)()()()( 2

00




Avec

α = a2

β = G

f(λ) = Cp(λ)





βα

==

G

a







222

0

2

0

)088()561(

)088(190

)(

)()(

λλλ

λλλλλλ

minus+minussdot=


a

GC p

Reacutesumeacute






















Documents

CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN SYSTEME DE …Une grande partie du parc éolien actuel est constitué de systèmes raccordés au réseau public. Pourtant, un des domaines où