Master ASE Parcours GR2E Production Electrique Compte Rendu du Bureau d’étude 1 PRODUCTION ÉLECTRIQUE À PARTIR D’UNE ÉOLIENNE Réalisé par : Nom Prénom TIZIT Loubna MELOUANE Abir Note et Observation Année universitaire : 2023/2024 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique Introduction : Le développement des énergies renouvelables, et en particulier l'énergie éolienne, représente une avancée significative dans la transition vers des sources plus durables. Dans le cadre de ce compte rendu du Bureau d'Étude sur la production électrique à partir d'une éolienne, nous explorerons les principaux aspects liés à la modélisation et au contrôle d'une machine synchrone à aimant dédiée à la production d'énergie éolienne. Ce compte rendu vise à fournir une compréhension approfondie du fonctionnement de la machine dans un contexte éolien, en mettant l'accent sur les aspects théoriques et pratiques du contrôle et de la production d'énergie. En utilisant Simulink, nous avons procédé à la simulation de l'installation en faisant varier divers paramètres afin d'analyser les avantages et les inconvénients associés. L'objectif de ce TP est donc d'explorer et de manipuler les outils de simulation tels que MATLAB Simulink pour évaluer l'impact de variables telles que la vitesse du vent sur la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Nous cherchons ainsi à étudier les limites de ces paramètres dans un réseau donné, en comparaison avec les études théoriques réalisées en cours. Préparation : Schéma de principe d’une MADA : On donne l’équation de la puissance générée par les pales de l’éolienne en fonction de la vitesse de vent 𝑉 et de la vitesse de rotation des pales 𝜔 : λ=R 𝑃=𝐶 𝜌𝐴𝑉 𝐶 = 𝐶 ( − 𝐶 )𝑒 Page | 1 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique Avec comme données : ● R : rayon des pales ● A section balayé par les pales ● 𝑉 vitesse du vent ● C1 , C2 , C5 , C6 sont 4 coefficients constants. Calculez la valeur de λ qui maximise la puissance (dériver la fonction Cp) en fonction de C2 , C5 et C6. Application numérique : 𝐶 = 0.5; 𝐶 = 116 ; 𝐶 = 5 ; 𝐶 = 21 Or, nous savons que pour avoir une valeur maximale, il faut En manipulant nos formules nous obtenons : 𝝀 = 𝒅𝑪𝒑 𝒅𝒕 =𝟎 𝑪𝟐 ∗𝑪𝟔 𝑪𝟐 𝑪𝟓 ∗𝑪𝟔 Pour obtenir une puissance maximum, il faudrait avoir une valeur 𝜆 = 11. 𝑪𝒑 λ𝑜𝑝𝑡 = 0,41 Une fois la partie algébrique terminée, nous avons regardé ce résultat sur Matlab afin de vérifier notre résultat. Pour la partie abscisse nous avons la rotation en rad/s, en ordonnée nous avons notre couple 𝑪𝒑 . Nous pouvons constater une valeur maximum lorsque notre rotation se situe autour de 11 rad/s. Page | 2 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique Equation de la machine synchrone (MS) sur les axes (d,q) : 𝒅𝑰𝒔𝒅 − 𝒑 ∗ 𝝎𝒔 ∗ 𝑳𝒒 ∗ 𝑰𝒔𝒒 𝒅𝒕 𝒅𝑰𝒔𝒒 = 𝑹𝒔 ∗ 𝑰𝒔𝒒 + 𝑳𝒒 + + 𝒑 ∗ 𝝎𝒔 ∗ 𝑳𝒅 ∗ 𝑰𝒔𝒅 + 𝑲 ∗ 𝝎𝒔 𝒅𝒕 𝑽𝒔𝒅 = 𝑹𝒔 ∗ 𝑰𝒔𝒅 + 𝑳𝒅 + 𝑽𝒔𝒒 𝑪𝒆𝒎 = 𝑲 ∗ 𝑰𝒒 𝑬 = 𝑲 ∗ 𝝎𝒔 𝑪𝒆𝒎 − 𝑪𝒑 = 𝒋 ∗ 𝒅𝝎 𝒅𝒕 𝑰𝒅 𝟐 + 𝑰 𝒒 𝟐 𝑰𝒂𝒃𝒄 = √𝟑 Avec : 𝑲 = 𝒑 ∗ ∅ et 𝑳𝒅 = 𝑳𝒒 Il est important de souligner que le courant 𝑰𝒔𝒅 n'influe pas sur le couple, cependant, nous avons choisi une stratégie visant à maximiser le couple. Par conséquent, nous ajustons le courant 𝑰𝒔𝒅 pour simplifier la commande. Travail en séance : L'objectif de ce Bureau d'Étude est d'analyser le fonctionnement de la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) dans le contexte de son utilisation dans un système éolien. Ce travail se divise en trois parties distinctes. 1) Comprendre le modèle de la machine : Figure 1: REM de la MS à aimant permanent Page | 3 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique Nous avons ouvert le schéma Simulink représentant un modèle de machine synchrone à aimant dans le repère de Park et contrôlée en courant. Nous avons ensuite appliqué une consigne de couple en échelon de 1MNm. Nous avons obtenu les allures suivantes qui représentent l’évolution de la vitesse de la machine les courants 𝐼 , 𝐼 , et les tensions 𝑉 , 𝑉 : Figure 2: L’évolution de la vitesse de la machine, les courants 𝐼𝑑 , 𝐼𝑞 , et les tensions 𝑉𝑑 , 𝑉𝑞 Figure 3: un zoom de la « Figure 2 » La vitesse de la machine varie linéairement car le couple Cem est constant 𝐶𝑒𝑚 = 𝐽 car + 𝐶𝑝 constant, Les courbes des courants 𝐼 et 𝐼 présentent des caractéristiques particulières dans leur évolution. Initialement, ces courants restent constants à zéro jusqu'à 1 seconde. Ensuite, 𝐼 suit une courbe exponentielle, progressant graduellement pour atteindre une valeur approchant les 600 unités, où il se stabilise et demeure constant par la suite. La tension 𝑉 suit une variation linéaire en relation avec la vitesse 𝜔 et le courant 𝐼 , maintenu constant Dans le régime permanent. Simultanément, la tension 𝑉 est issue de la conjonction Page | 4 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique d'une part linéaire, associée à la vitesse 𝜔, et d'une autre constante, liée au courant 𝐼 , engendrant ainsi une évolution linéaire de 𝑉 . La tension 𝑉 suit une tendance similaire à celle du courant 𝐼 , mentionné précédemment, mais son impact est minime, ajoutant simplement sa valeur linéaire durant cette phase transitoire. D'autre part, la tension 𝑉 évolue en fonction de la dérivée du courant 𝐼 , adoptant une décroissance exponentielle. Cependant, son influence demeure limitée et peut être négligée. Figure 4: Courant 𝐼 en fonction du temps En utilisant les courants abc comme référence naturelle, ces courants restent identiques en amplitude, ce qui maintient un équilibre, car en régime permanent, 𝐼 reste à zéro et 𝐼 reste constant avec la même valeur efficace. Ils présentent un déphasage de 2π/3 entre eux et suivent une forme d'onde sinusoïdale. On remarque aussi que la période diminue donc la fréquence augmente à la fin du courbe ce qui implique que la vitesse diminue. Page | 5 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique 2) Machine contrôlée en vitesse ou en couple ? Le terme 𝑃𝑚𝑎𝑥 représente la disponibilité maximale de puissance éolienne, 𝑃𝑚 symbolise la puissance mécanique au niveau du rotor, et 𝑃𝑒 représente la puissance électrique reçue au niveau du bus DC. Le schéma fonctionnel correspondant est illustré dans la figure ci-dessous. Figure 5: Rem de la MS contrôlée en vitesse 7/ Relever Pmax, Pm et Pe. Expliquez les différences. Dans un premier temps, nous fixons une vitesse constante du vent à 𝑉 = 8 𝑚/𝑠 et une consigne de vitesse fixe à 𝜔 = 1 𝑟𝑎𝑑/𝑠. Le graphique correspondant est affiché ci-dessous. Figure 6: 𝑃𝑒, 𝑃𝑚 , 𝑃𝑚𝑎𝑥 en fonction du temps Page | 6 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique En termes absolus, 𝑃𝑚 est supérieur à 𝑃𝑒, et cette disparité peut être expliquée par les pertes Joules dans les bobinages, exprimées selon l'équation suivante : 𝑷𝒎 = 𝑹𝒔 ∗ 𝑰𝒔𝒅 𝟐 + 𝑹𝒔 ∗ 𝑰𝒔𝒒𝟐 Remarque : Dans notre cas, 𝑰𝒔𝒅 = 𝟎 La puissance maximale 𝑃𝑚𝑎𝑥 correspond à la puissance maximale capturable possible pour la production électrique. L'objectif est que 𝑃𝑚 suive en valeur cette puissance maximale. Cependant, dans cette configuration, ce n'est pas le cas car elle dépend du coefficient 𝐶 , qui, à son tour, dépend de λ, lui-même dépendant de 𝜔. En effet, nous avons : λ=R = 60 ∗ = 7,5 𝑟𝑎𝑑 8/ Pour une vitesse évoluant de 0.2rad/s à 2rad/s par pas de 0,2rad/s, relevez les puissances cidessus. 𝜔 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 𝑃 (𝑀𝑊) 0 - 0,05 -0,34 -0,75 -1,11 -1,34 -1,43 -1,42 -1,34 -1,19 𝑃 (𝑀𝑊) 𝑃 (𝑀𝑊) 0 -1,49 - 0,05 -1,49 -0,34 -0,77 -1,13 -1,36 -1,45 -1,44 -1,35 -1,19 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 9/ Quel est le meilleur point de fonctionnement ? Expliquez. Le point de fonctionnement optimal est atteint lorsque 𝑃𝑚 ≃ 𝑃𝑚𝑎𝑥, ce qui se produit lorsque 𝜔 = 1,4 rad/s . En effet, cela suggère que pour que 𝑃𝑚 suive 𝑃𝑚𝑎𝑥, il est nécessaire d'avoir 𝐶 ,λ ,𝜔 tel que : 𝜔 = ∗ = , ∗ = 1,467 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Figure 7: 𝑃𝑒, 𝑃𝑚 , 𝑃𝑚𝑎𝑥 en fonction du temps avec 𝜔 Page | 7 2 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique Introduire la stratégie de contrôle pour extraire le plus de puissance, sur la machine contrôlée en vitesse. Pour mettre en œuvre une stratégie de régulation de vitesse, il est nécessaire de mesurer la vitesse, puis de la multiplier par un gain défini par afin d'obtenir 𝜔 =𝜔 . Cette approche est appliquée à un profil de vent variable, dont la représentation graphique est présentée ci-dessous. Figure 8: 𝑃𝑒, 𝑃𝑚, 𝑃𝑚𝑎𝑥 en fonction du temps en utilisant 𝜔 pour un profil de vent variable La représentation graphique ci-dessous illustre l'évolution de la puissance mécanique et de la puissance électrique. On observe que ces deux puissances évoluent de manière distincte, bien que l'air sous la courbe soit le même. De plus, on note une chute importante de plusieurs mégawatts dans les puissances, posant ainsi des problèmes au réseau électrique, notamment lors de la réinjection dans le réseau, et pouvant entraîner une chute de tension. Dans ce scénario, 𝑃𝑚 suit 𝑃𝑚𝑎𝑥, mais la puissance électrique présente une variation significative qui ne correspond pas à la tendance de 𝑃𝑚. Cette disparité est inacceptable pour le réseau, car il n'est pas viable d'injecter ou de retirer une telle quantité de puissance électrique (de l'ordre du MW) à chaque fluctuation du vent. Conclusion : En résumé, ce travail pratique nous a offert l'opportunité de simuler le mode de fonctionnement de la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) dans le contexte d'une application éolienne. La comparaison entre les valeurs théoriques calculées et les résultats obtenus par simulation a confirmé la justesse de nos prédictions initiales. L'analyse des variations de puissance électrique et mécanique, en particulier en faisant varier la vitesse, a permis de confirmer la validité de nos résultats théoriques. Nous avons pu identifier Page | 8 Master ASE Parcours GR2E BE Qualité et réseaux électrique le point de fonctionnement optimal où la puissance mécanique se rapproche de la puissance maximale capturable, démontrant ainsi la précision de nos calculs. Cependant, la simulation a également mis en évidence des défis potentiels liés à la réinjection de la puissance électrique dans le réseau. La fluctuation significative de la puissance, telle qu'observée dans la simulation, soulève des préoccupations quant à l'acceptabilité de cette situation pour le réseau. Cette constatation souligne l'importance de développer des stratégies de contrôle appropriées pour garantir la stabilité du réseau et l'efficacité de l'intégration de l'énergie éolienne. En somme, cette expérience a renforcé notre compréhension théorique du fonctionnement de la MADA tout en soulignant les défis pratiques liés à son utilisation dans un contexte éolien, mettant ainsi en lumière la nécessité d'une approche équilibrée entre la théorie et la pratique pour concevoir des systèmes énergétiques robustes et fiables. Page | 9