these contribution à l'optimisation d'un système de conversion éolienne

CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN
SYSTEME DE CONVERSION EOLIEN POUR UNE
UNITE DE PRODUCTION ISOLEE
Miguel Lopez
To cite this version:
Miguel Lopez. CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION D’UN SYSTEME DE CONVERSION
EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE. Electric power. Universit´e Paris
Sud - Paris XI, 2008. French. <tel-00344978>
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THÈSE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des
Télécommunications et des Systèmes »
Présentée par :
Miguel LOPEZ
Sujet :
C ONTRIBUTION A L 'O PTIMISATION D ' UN S YSTEME DE C ONVERSION
E OLIEN POUR UNE U NITE DE P RODUCTION I SOLEE

i
Sommaire
Introduction ..................................................................................................................... 1
1 Systèmes de Conversion Eoliens .............................................................................. 5
1.1 Introduction ........................................................................................................... 5
1.1.1 Bilan Energétique Mondial ........................................................................... 6
1.1.1.1 Les Utilisations de l’Energie Primaire ...................................................... 6
1.1.1.2 La Production d’Electricité ....................................................................... 6
1.1.1.3 Le Secteur Résidentiel et Tertiaire ............................................................ 8
1.1.1.4 l’Industrie .................................................................................................. 8
1.1.1.5 Le Transport .............................................................................................. 9
1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energétique .......................................................... 9
1.1.2 Energie et Environnement ............................................................................. 9
1.1.2.1 L’impact de la Consommation d’Energie sur l’Environnement ............. 10
1.1.3 Génération Distribuée de l’Electricité ..................................................... 11
1.1.4 Les Energies Renouvelables ........................................................................ 12
1.1.4.1 Hydraulique ............................................................................................. 14
1.1.4.2 Photovoltaïque ......................................................................................... 15
1.1.4.3 l’Eolien .................................................................................................... 15
1.1.4.4 Environnement et Coût des Energies Renouvelables .............................. 16
1.2 Classement des Turbines Eoliennes .................................................................... 18
1.2.1 Turbines Eoliennes à Axe Horizontal (HAWT) .......................................... 18
1.2.2 Turbines Eoliennes à Axe Vertical (VAWT) .............................................. 20
1.3 Boite de Vitesses ................................................................................................. 21
1.4 Générateurs .......................................................................................................... 22
1.4.1 Générateur Asynchrone (IG) ....................................................................... 23
1.4.1.1 Générateur Asynchrone à Cage d’Ecureuil (SCIG) ................................ 23
1.4.1.2 Générateur Asynchrone à Rotor Bobiné (WRIG) ................................... 23
1.4.2 Générateur Synchrone (SG) ........................................................................ 25
1.4.2.1 Générateur Synchrone à Rotor Bobiné (WRSG) .................................... 25
1.4.2.2 Générateur Synchrone à Aimants Permanents (PMSG) ......................... 26
1.4.3 Autres Générateurs ...................................................................................... 26
1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes ..................... 27
1.5 Systèmes de Stockage pour la production d’électricité ....................................... 30
1.5.1 Types de Stockage d’Energie .................................................................. 30
1.6 Applications des Turbines Eoliennes .................................................................. 31
1.6.1 Systèmes de Puissance Isolés et Emploi de l’Energie Eolienne ................. 31
1.6.1.1 Systèmes Hybrides avec Technologie Eolienne ...................................... 33
1.6.1.2 Systèmes Hybrides Wind-Diesel ............................................................. 36

ii
1.6.1.3 Evolution de l’éolien dans les sites isolés ............................................... 37
1.6.1.4 Systèmes et Expérience ........................................................................... 39
1.6.1.5 Expérience sur les Systèmes de Puissance Hybrides .............................. 40
1.6.2 Systèmes Eoliens Connectés à des Grands Réseaux ................................... 43
1.6.2.1 Systèmes Distribués ................................................................................ 43
1.6.2.2 Parcs Eoliens ........................................................................................... 44
1.7 Tendances ............................................................................................................ 46
1.7.1 Système Mécanique ..................................................................................... 46
1.7.2 Système Electrique ...................................................................................... 47
1.7.3 Intégration de l’Energie Eolienne et Nouvelles Applications ..................... 47
1.8 Conclusion ........................................................................................................... 48
2 Optimisation d’un Système de Conversion Eolien ............................................... 49
Nomenclature .............................................................................................................. 49
2.1 Introduction ......................................................................................................... 50
2.2 Système de Génération Eolien Sans Electronique de Commande ...................... 50
2.2.1 Modèle du Système ..................................................................................... 51
2.2.1.1 Système Mécanique ................................................................................. 52
2.2.1.2 Système Electrique .................................................................................. 54
2.2.1.3 Paramètres du Système ............................................................................ 59
2.3 Problème d’Optimisation .................................................................................... 63
2.3.1 Contraintes .................................................................................................. 64
2.3.2 Résultats de l’Optimisation ......................................................................... 66
2.3.3 Sélection d’une paire (M, u
S
) unique .......................................................... 71
2.4 Adaptation du Problème d’Optimisation............................................................. 72
2.4.1 Résultats ...................................................................................................... 76
2.5 Conclusion ........................................................................................................... 80
3 Commande du Système de Conversion Eolien ..................................................... 81
3.1 Introduction ......................................................................................................... 81
3.2 Systèmes de Génération Eoliens Commandés .................................................... 83
3.2.1 Commande Aérodynamique du Rotor ......................................................... 84
3.2.1.1 Commande de l’Angle d’Attaque de la Pale (Blade Pitch Control) ....... 86
3.2.1.2 Régulation à Angle Fixe (Passive Stall Control) .................................... 87
3.2.1.3 Commande Stall Active (Active Stall Control) ....................................... 88
3.2.1.4 Commande d’Orientation ........................................................................ 88
3.2.2 Commande du Système Electrique ............................................................. 89
3.2.2.1 Systèmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes à Pales
Ajustables ................................................................................................ 90
3.2.2.2 Systèmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes à Pales
Fixes ........................................................................................................ 92
3.2.2.3 Structure de Puissance Proposée ............................................................. 97
3.2.2.4 Stratégie de Commande Proposée ........................................................... 99
3.2.2.5 Résultats ................................................................................................ 105
3.4 Conclusion ......................................................................................................... 112

iii
4 Méthode Analytique d’Evaluation des Pertes dans les Convertisseurs de
Puissance ...................................................................................................................... 113
Nomenclature ............................................................................................................ 113
4.1 Introduction ...................................................................................................... 114
4.2 Méthode Proposée ............................................................................................ 115
4.2.1 Calcul des Pertes ........................................................................................... 116
4.2.1.1 Pertes par Conduction dans les Diodes ..................................................... 116
4.2.1.2 Pertes par Conduction dans les Transistors ............................................... 116
4.2.1.3 Pertes par Conduction dans le Redresseur ................................................ 117
4.2.1.4 Pertes par Conduction dans le Hacheur ..................................................... 119
4.2.1.5 Pertes par Conduction dans l’Onduleur .................................................... 121
4.2.2 Pertes par Commutation ................................................................................ 123
4.2.2.1 Pertes par Commutation dans le Hacheur ................................................. 124
4.2.2.1 Pertes par Commutation dans l’Onduleur ................................................. 124
4.3 Résultats ........................................................................................................... 125
4.3.1 Pertes dans le Redresseur .............................................................................. 126
4.3.2 Pertes du Hacheur .......................................................................................... 129
4.3.2.1 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans une Paire
Transistor/Diode .................................................................................................... 129
4.3.2.2 Comparaison : un Convertisseur Buck-Boost et une Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck ........................................................... 130
4.3.3 Pertes de l’Onduleur ...................................................................................... 136
4.4 Application : Evaluation des Pertes d’un Système Hybride ............................. 141
4.4.1 Description du Système ................................................................................. 141
4.4.2 Procédure de Dimensionnement des Unités .................................................. 142
4.4.3 Evaluation des Pertes du Système Hybride ................................................... 143
4.5 Conclusion ........................................................................................................ 147
Conclusions et Perspectives ........................................................................................ 149
Références Bibliographiques ...................................................................................... 153
Annexes ........................................................................................................................ 157