Impact de la variation du vent sur le comportement énergétique d`un

Impact de la variation du vent sur le comportement
énergétique d’un réseau distribué basé sur le principe
d’éolienne et générateur diesel
(Full text in French)
Mohammed Nasser TANDJAOUI
1
, Ahmed SLIMANI
1
, Ali HADDI
2
, Chellali BENACHAIBA
1
1Département de la Technologie, Université de Béchar, Algérie
2LTI, ENSA Tanger, Université Abdelmalek Essaâdi, Maroc
Abstract
In the majority of the isolated areas, the diesel generator is the principal source of electric power. For these areas,
the price of extension of the electric supply network is prohibit and the price of fuel increases radically with
insulation. The continuous fall in the prices of the generators based on renewable energy and the increasing
reliability of these systems led to a greater use of the sources of renewable energy for the generation of electric
power in the isolated areas. The diesel generators can incorporate in a network with other sources in base of
renewable energies in order to create a new network known as distributed network. More recently intermittent
renewable resources such as the wind power were considered as a distributed generation which is seen as being
deployed to reduce the total emissions.
Keywords: distributed network, decentralized generation, renewable energy
Received: January, 10, 2016
1. Introduction
Aujourd’hui plus de 85 % de l’énergie produite,
est obtenue à partir des matières fossiles comme le
pétrole, le charbon, le gaz naturel ou de l’énergie
nucléaire, engendre une forte pollution environ-
nementale par rejets des gaz à effet de serre qui
provoquent un changement climatique irréversible
ou, dans le cas du nucléaire, une pollution par
radiations de longue durée qui pose le problème,
aujourd’hui non résolu, du stockage des déchets
radioactifs. La croissance constante de la
consommation d’énergie sous toutes ses formes et
les effets polluants associés, principalement causés
par la combustion des énergies fossiles, sont au
cœur de la problématique du développement
durable et du soin de l’environnement dans une
discussion pour l’avenir de la planète.
L’utilisation massive des énergies fossiles et
fissiles, même si elle a envahi tout le champ de
l’activité des gens d’aujourd’hui, reste un
épiphénomène à échelle de l’histoire humaine ;
elle apparait à travers deux petits pics, l’un au
cours du 19ème siècle avec le charbon et la
découverte des machines à vapeur, l’autre au
20ème siècle avec le pétrole, le gaz et le nucléaire.
Deux des défis majeurs pour notre siècle sont la
lutte contre le changement climatique et la
diversification des sources d’énergies que nous
utilisons actuellement. Or, pour servir les besoins
des pauvres nations qui représentent plus des deux
tiers de la population, le monde a besoin de se
forger une nouvelle stratégie énergétique, qui pour
respecter l’environnement global, devra d’abord
reposer sur la sobriété et l’efficacité énergétique
et inéluctablement utiliser les sources renou-
velables qui ont indiscutablement un rôle
important à tenir.
L’industrie électrique semble ainsi effectuer un
retour en arrière, lorsque l’essentiel de l’énergie
électrique était généré localement par de petits
systèmes isolés en vue de son utilisation directe.
Les anciens générateurs à vapeur utilisés pour
fournir de la chaleur et de l’électricité ont trouvé
leurs équivalents modernes sous la forme de micro-
turbines, piles à combustible, moteurs à combus-
tion interne et petites turbines à gaz. En plus, de
l’intérêt économique, d’autres arguments ont
plaidé en faveur d’une transition vers les systèmes
d’énergie décentralisés à petite échelle ; il s’agit
notamment des retombées sur l’environnement, de
la vulnérabilité des systèmes d’énergie centralisés
en cas d’attentat et de la fiabilité de l’électricité [1].
En ce qui concerne les technologies des
systèmes de production d’énergie décentralisés, il
existe actuellement deux types de systèmes avec
une forte implantation : les systèmes à base
d’énergie renouvelable et les systèmes de
cogénération. Ces systèmes, favorisés par les
pouvoirs publics, sont devenus une réalité
économiquement viable et s’imposent donc de fait.
En ce qui concerne les énergies renouvelables, les
dispositifs de conversion vont de quelques dizaines
de watts (mini éolien ou photovoltaïque) jusqu’aux
installations de quelques MWs (parcs éoliens et
certains champs photovoltaïques). L’application de
la cogénération quant à elle, concerne des
installations de moyenne et haute puissance en
utilisant une technologie généralement mature.
La cogénération pourra être étendue à court

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terme aux applications de basse puissance via des
micro-turbines à gaz et des piles à combustible
(haute température), ces technologies sont
actuellement à l’état de développement
embryonnaire, c'est-à-dire en démonstration. Les
systèmes de cogénération ont la possibilité d’être
totalement contrôlables en puissance active et
réactive, dans la mesure où la production
d’électricité est privilégiée au détriment de la
production thermique. De ce fait, ils peuvent,
quand cela est nécessaire, participer de manière
efficace aux services système (compensation des
pointes de consommation, réglage de la tension et
parfois réglage de la fréquence).
Le générateur diesel peut être également
employé par des utilités électriques pour
augmenter leurs systèmes de distribution.
Beaucoup d’autres demandes de solutions de
générateur diesel existent. Avec la technologie
existante, chaque service industriel ou commercial
comprenant des usines, des campus, des hôpitaux,
des hôtels, de grands magasins, des malls, des
aéroports et des immeubles peut produire assez
d’électricité pour satisfaire ses besoins en
puissance dans des conditions normales, comme
avoir la puissance de secours pendant un arrêt
total.
Ce présent papier est focalisé sur une
application complémentaires des réseaux
distribués qui composée d’une éolienne et un
générateur diesel muni de systèmes FACTS pour
atténuer les différents défauts présentés au niveau
du réseau globale, soit pour obtenir un bon
écoulement de puissance dans le réseau de
transmission, soit pour améliorer la qualité de
l’énergie électrique fournies au client sensible. Le
choix d’un réseau distribué constituant d’une
éolienne et un générateur diesel est de garder la
continuité de la production d’énergie électrique.
Cela a pour objectif de répondre à une
problématique sur la stabilité et la qualité
énergétique au niveau des réseaux distribués de
puissance incorporé des systèmes FACTS.
2. Générations distribuées
La production conventionnelle est connectée au
réseau de transport et l'énergie parcourt des
longues distances jusqu'aux centres de
consommation. Lorsque cette énergie atteint le
réseau de distribution, le flux de puissance est
essentiellement unidirectionnel en raison du
caractère radial de ces réseaux [4]. Dans les
dernières décennies, un modèle alternatif émerge,
modèle dans lequel la production d'énergie est plus
proche du consommateur physiquement et
virtuellement. Ainsi est née la génération dite
« distribuée ».
La complémentarité entre les deux modèles
(classique et distribué) sera la base pour le
développement de systèmes d’énergies futures
(Figure 1).
Figure 1. Intégration des réseaux distribués dans les
réseaux classiques
La production distribuée permet de produire, de
stocker et de gérer l'énergie dans le même lieu de
consommation et suppose que les consommateurs
puissent faire de leurs maisons des petites
centrales électriques [9].
Les technologies de GD peuvent fonctionner sur
les combustibles fossiles, les ressources éner-
gétiques renouvelables ou la chaleur perdue, et
peuvent être classées par catégorie dans les trois
groupes suivants :
2.1. Le système combiné de chaleur et de
puissance (CHP)
Figure 2. Configuration typique de CHP
C’est la cogénération de production de l'énergie
électrique et thermique.
Leur source peut être fossile combustible, la
biomasse ou la chaleur perdue. Parmi les
technologies sont les moteurs à combustion
interne, les turbines à vapeur, les micro-turbines,
les cellules de carburant et les digesteurs de
gazéification.
2.2. Énergie renouvelable
Ce sont des sources énergétiques qui produisent
de l'électricité sans se servir de n'importe quelle
chaleur perdue, telles que les systèmes électriques
solaires, les turbines de vent, les petits générateurs
hydroélectriques et les moteurs à combustion
interne de turbine ou en utilisant le gaz de
remblayage.

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Figure 3. Différentes sources naturelles des énergies
renouvelables
2.3. Remplacement par des moteurs diesel
C’est le remplacement des générateurs et des
petites turbines de combustion fossile par gaz
diesel ou naturel, qui est typiquement utilisé pour
la puissance de secours ou pour l’alimentation des
sites éloignés.
Figure 4. Configuration du générateur Diesel
3. Technologie de la génération distribuée
Le développement de la génération distribuée
est passé par plusieurs technologies, certaines
parmi elles sont déjà utilisées et d’autres sont
nouvelles et restant en évolution techniques et
économiques. La génération distribuée inclue des
générateurs de très grande puissance (plus de
50MW), mais l'intérêt récent de GD est de cibler les
générateurs de petites puissances (moins de
15 MW).
La grande GD inclut une variété de technologies
en carburants, et les petites DG incluent des
technologies de combustible fossile et renouvelable
[2]. Le tableau 1 énumère plusieurs technologies de
GD les plus communes et leurs caractéristiques [1].
L'intérêt des technologies de la GD augmente à
cause des avancements récents dans la technologie
énergétique.
La plupart des utilisateurs de GD sont des entités
résidentielles industrielles, commerciales,
institutionnelles ou privées qui le trouvent salutaire
pour produire leur propre électricité en tant
qu'élément de leurs affaires. Cependant, il est
fortement souhaitable que la technologie de GD
soit simple, d'un seul bloc, et facile de maintenir et
d’utiliser. De plus, pour les petites applications, le
but d'industrie est que la GD soit aussi simple et
fiable comme réfrigérateur.
Tableau 1. Technologies et caractéristiques de la
GD [1]
Les technologies de GD sont en conséquence
conçues pour être préemballées d'un seul bloc et
normalisées. La nature naissant du marché met une
prime de base frais pour la GD. Le bas coût initial
est important pour des favorables économiques de
projet, parce que la GD est typiquement un
investissement discrétionnaire pour les entreprises
qui ont beaucoup de besoins de concurrence de
capital. La viabilité des nouvelles technologies de
la GD à l’avenir, telles que les cellules de carburant
et les micro-turbines, est censée largement pour
s'articuler sur le potentiel d'amasser la grande
quantité d’électricité à des frais financiers
inférieurs [1, 2].
4. Problèmes rencontrés dans le fonctionnement
des réseaux distribués
De point de vue continuité de la production et
de la qualité de l’énergie électrique, les facteurs
pouvant affecté le fonctionnement d’un système
distribué sont :
− Les variations de la charge à court et à long
terme ;
− Les ressources d’énergie renouvelables : le
vent et le soleil qui sont stochastiques par
leur nature, elles sont très difficiles à
prédire.
− Les perturbations du réseau : les défauts,
tels que les court-circuités, peuvent non
seulement arrêter le système, mais aussi,
détruire certains composants.
Le terme « Qualité de l’énergie électrique » fait
référence à la stabilité de la tension, à la stabilité
de la fréquence du réseau et, à l’absence de
différents phénomènes électriques, comme le
Flicker ou des distorsions harmoniques. La figure 5,
montre une classification de ces perturbations en
fonction de leurs caractéristiques.

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Figure 5. Classification des perturbations du point de
vue qualité d’énergie
5. Génération hybride de l’électricité (éolienne
et diesel)
La configuration du SHED dépend évidemment
des ressources énergétiques disponibles, aussi bien
renouvelables que conventionnelles, ainsi que des
contraintes de l’utilisation.
Le système peut, en outre, être élargi en toute
simplicité par ajout de composants ou de
générateurs électriques pour répondre à des
besoins en énergie croissants. Ceci requiert une
campagne de mesure et une analyse préalable des
spécificités du site. La structure d’alimentation
hybride correspond au caractère des énergies
renouvelables.
Figure 6. Schéma de principe de l’installation d’un
système hybride
L’hybridation entre l’éolien et le diesel
représente une solution intéressante pour
l’électrification des consommateurs dans les sites
isolés même s’il est très complexe compara-
tivement aux solutions courantes mono-source. Le
SHED présente par contre un intérêt évident
considérable par sa flexibilité incomparable, sa
souplesse de fonctionnement et son prix de revient
vraiment attractif. Ceci permet d'optimiser au
maximum le système de production d'électricité,
aussi bien du point de vue technique
qu'économique.
De plus, l'économie de carburant et la baisse de
prix obtenues par le SHED doit au moins couvrir
l'investissement fait pour les générateurs éoliens et
les autres composants auxiliaires du système. Un
système de régulation performant qui maintient les
groupes diesel au-dessus de leur puissance
minimum de bon fonctionnement, permettra
d'optimiser leur fiabilité et le taux de pénétration
de l'énergie éolienne.
6. Classification du système hybride éolien-
diesel (SHED)
Les grands SHED en sites isolés peuvent être
classifiés en fonction du degré de pénétration de
l'énergie éolienne [1]. Les expressions qui
permettent de calculer l'indice de pénétration
sont:
i
ins
est l’indice de la pénétration instantanée. Elle
représente la proportion de la puissance produite
par les sources d'énergie renouvelable par rapport
à la puissance de la charge, Péol représente la
puissance renouvelable et Pch, la puissance
électrique de la charge (la charge principale, s'il y
a plusieurs types de charges). imoy est la
pénétration moyenne (mesurée pendant des jours,
des mois ou même des années), Eéol représente
l'énergie renouvelable et Ech représente l'énergie
consommée par la charge principale.
Cette classification sépare les systèmes en
fonction du taux de pénétration de l'énergie
éolienne et donne leurs caractéristiques de
fonctionnement (Tableau 2).
Tableau 2. Classification des systèmes éolien-diesel
basée sur le taux de pénétration de l'énergie
éolienne [1]
Suivant l'intensité du vent, trois modes de
fonctionnement peuvent être distinguées pour les
SHED à haute pénétration (Figure 7):
Figure 7. Variation de l'énergie couverte par un SHED
et la consommation du diesel en fonction de
la vitesse du vent

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− Vents faibles (vv <3 m/s), diesels seuls :
dans ce cas, le système de contrôle des
éoliennes les met hors circuit. C'est le
groupe électrogène (diesel) qui assure la
production de puissance et les
asservissements de tension et de fréquence.
− Vents moyens (3 m/s <vv <10 m/s), diesels
et éoliennes en service : par vents
d'intensité moyenne, la puissance éolienne
n’est généralement pas suffisante pour
fournir à elle seule la totalité de la
demande. Les éoliennes contribuent à
fournir une partie de la puissance demandée
par la charge et le groupe électrogène
fournit alors la différence. Ceci permet de
diminuer l'apport des diesels et par
conséquent de réaliser des économies. Dans
ce mode de fonctionnement, les régulations
de tension et de fréquence sont réalisées
par le groupe électrogène.
− Vents forts (vv >10 m/s), éoliennes seules :
par vents suffisamment forts pour que la
production éolienne soit supérieure à la
demande, il est alors possible d'éteindre
complètement les diesels.
7. Solutions techniques contre les contraintes
de fonctionnement de SHED
Les incidents majeurs ne sont pas prévisibles à
cause de leurs causes variables et non prévisibles
et, de ce fait, ils ne sont pas toujours évitables et
encore, ils sont provoqués par l’insertion à grande
échelle de moyens de production décentralisés
produisant de nouveaux problèmes sur les plans
techniques et fonctionnels qui sont à l’origine de
l’apparition d’instabilités. Ces problèmes sont
principalement de trois types:
− La dégradation de la qualité de l’énergie et
la perturbation du fonctionnement des
réseaux causées par les caractéristiques de
puissance, de tension et de courant, propre
à chaque unité décentralisée,
− La création de transits bidirectionnels
d’énergie,
− L’apparition de flux d’énergie imprévus est
dus à l’indépendance entre les trajets
contractuels et physiques des flux
d’énergie.
8. Comportement d’un SHED autonome à
différentes vitesses d’éolienne
Le SHED peut être une solution pour les régions
éloignées d’un grand réseau interconnecté.
Maintenant, les deux sources d’énergie testées
auparavant sont synchronisées, afin de maintenir la
tension et la fréquence de notre système autonome
SHÉD constantes, avec une variation de la charge et
une perturbation du vent (Figure 8).
Figure 8. Configuration typique d’un modèle hybride (éolien-diesel)
Les paramètres des composants du SHED sont
donnés dans les tableaux 3 et 4.
Tableau 3. Paramètres d’éolienne
Tableau 4. Paramètres de générateur diesel