Contribution à l’étude d’une éolienne asynchrone à vitesse variable

Abstract

L’énergie éolienne est une source d’énergie renouvelable, inépuisable et non polluante en comparaison aux autres énergies fossiles. Pour qu’elle soit utilisée sur une large plage d’application et pour satisfaire les contraintes économiques, la chaine de conversion d’énergie éolienne doit être robuste, mais aussi elle doit présenter un haut rendement, répondre aux besoins du monde en énergie, et réaliser à bas coût. Pour ces raisons, il faut extraire le maximum de puissance de l’éolienne. La puissance et la tension produite par une éolienne varie selon plusieurs paramètres tel que, la nature de la charge, la vitesse du vent, la capacité d’auto-excitation…etc. ce type de variation est aléatoire et très difficile à modéliser. La présente thèse, qui entre dans le cadre de la coopération CUD est une contribution à l’étude de la génératrice asynchrone auto-excitée lors de son fonctionnement en mode isolée, et la mise en œuvre d’un régulateur de tension. Après avoir présenté une étude bibliographique sur l’utilisation de l’énergie éolienne et aussi sur l’état de l’art de différente technique d’utilisation de la machine asynchrone en mode génératrice auto-excitée (conception de la génératrice asynchrone et régulation de la tension et de la fréquence), l’étude entreprise se propose de mettre au point d’une part un modèle de la génératrice asynchrone avec un circuit d’excitation et d’autre part la réalisation d’un programme capable de prévoir les capacités d’excitation nécessaires à l’amorçage de la génératrice asynchrone triphasée pouvant alimenter un réseau isolé. Les résultats de simulations ainsi présentés confirment le fait qu’une machine asynchrone peut réussir le fonctionnement en génératrice. Toutefois, la génératrice asynchrone présente des difficultés pour assurer la constance de la tension à ces bornes. Dans le cas d’une génératrice asynchrone connectée à un réseau, l’amplitude, la forme d’onde et la fréquence sont imposé par le réseau. Dans le cas où elle est utilisée dans des sites isolés, le problème rencontré est que les facteurs de puissance sont faibles et varie entre 0.5 et 0.8 pour résoudre cette anomalie, on peut améliorer le facteur de puissance par l’utilisation des capacités variables. Certaines disposent de batteries de capacités qui s’enclenchent suivant la charge du générateur. Un mauvais facteur de puissance est pénalisant pour les conducteurs. Dans le cas des réseaux isolés, il faudra fournir en permanence le courant d’excitation (puissance réactive) selon la charge connectée ce qui demande un système intelligent qui régule en permanence la tension et la fréquence. C’est dans ce cadre que nous avons proposé une nouvelle stratégie de commande de la fréquence et de la tension d’une génératrice asynchrone auto-excitée, la solution est d’utiliser un filtre actif dont l’objectif est de maintenir la tension et la fréquence constante aux bornes de la GAS. Cela ne peut se faire que si nous faisons varier la valeur de la capacité C reg proportionnellement à la variation de la charge. L’idée de base consiste à maintenir en permanence ma tension Vs et le courant if en quadrature, ce qui revient à dire que l’impédance parcourue par If est équivalente à une capacité dont la valeur est fonction de l’amplitude du courant if. Cette capacité fictive peut augmenter ou diminuer en jouant sur les interrupteurs de puissance qui constituent le filtre actif. Après avoir symbolisée la machine asynchrone (moteur asynchrone à bagues, 1,5 KW), nous avons analysé son fonctionnement en intercalant un convertisseur d’énergie AC/DC entre la machine et la charge résistive en fonction de la variation de la charge d’auto-excitation et la vitesse d’entrainement, dont l’objectif est d’étudier le comportement du système éolien (SEIG+ convertisseur AC/DC) lors de la variation de la vitesse, de la capacité et de la charge, et de déterminer les limites d’exploitation de la génératrice sans recourir à aucune forme de régulation. Aussi pour déterminer la loi de commande qui permet de réguler la tension de sortie en dépit de la variation de la charge, de la vitesse d’entraînement et de la capacité d’excitation. Pour ce la, nous avons intercalé entre le système (SEIG+ redresseur) et la charge un quadripôle d’adaptation par le biais des convertisseurs d’énergie : hacheurs pour les applications en continue (DC). Dans notre cas, nous avons analysé l’adaptation du système éolien par un hacheur de type Survolteur-dévolteur. Nous avons étudié son fonctionnement électrique (tension de sortie) et dimensionné ces composants qui le constituent pour une fréquence de hachage de 100KHz et pour qu’il fonctionne dans les conditions plausibles. Nous avons implanté le système constitué de la machine, le redresseur et le hacheur, puis analysé son comportement en fonction de la variation de la charge, la capacité et la vitesse d’entraînement. Les résultats obtenus montrent que le fonctionnement du système éolien est sensible à la variation de ces paramètres mécaniques (vitesse d’entraînement de la machine) et électriques (capacités d’excitation et la charge) et que l’adaptation de la tension de sortie du système a lieu en variant le rapport cyclique ɑ.