Rapport final

Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGENIERIE
PROGRAMME DE GENIE ELECTRIQUE
6GIN555 – PROJET DE SYNTHESE D’INGENIERIE
Rapport final
Gestion de l’énergie électrique sur système éolien
Préparé par
TREMBLAY, FREDERIC
BOUCHARD, CHRISTIAN
POIRIER, JONATHAN
Pour
FOFANA, ISSOUF
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI
16 avril 2010
COORDONATEUR : PARADIS, JACQUES
CONSEILLER : FOFANA, ISSOUF

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées
Module d’ingénierie
Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page | ii
RESUME
Dans les régions nordiques éloignées, la production d’énergie se fait, dans plusieurs cas, aux dépens de
l’environnement. L’utilisation de génératrices à combustion est le système le plus simple à utiliser pour
alimenter des chalets, par exemple. Un système complémentaire diminuerait les coûts d’entretien, la pollution
générée ainsi que la nuisance sonore causée par le moteur à combustion. L’utilisation d’un système éolien
devient une approche de plus en plus intéressante avec tout le développement et la recherche de système éolien
performant.
Ce projet de conception, subventionné par les entreprises LP, consiste à concevoir un prototype utilisant
une éolienne, un système d’accumulation et une génératrice diesel pouvant fournir une puissance constante à
une petite charge, comme un chalet en territoire éloigné, à une tension nominale de 120Vc.a.. Il s’agit donc de
présenter un système fiable, efficace et le plus économique possible. En d’autres mots, le système de
génération d’énergie électrique autonome sera remplacé par une génératrice à combustion en l’absence de vent
et d’énergie sur le système d’accumulation. Le système doit comprendre une régulation de la vitesse de
rotation de l’aérogénérateur, un système d’acquisition afin de vérifier le comportement du système sur une
longue période, un boîtier de commande dans le but de freiner l’aérogénérateur manuellement dans une
situation d’urgence ou lors de manœuvres d’entretien. Finalement, un simulateur reproduisant les valeurs
mesurées par le système d’acquisition a dû être conçu pour fin de vérification et d’étalonnage du contrôleur.
Une étude comportementale implémentée sur le logiciel SimPower Systems a été réalisée afin de cerner les
différents enjeux auxquels le projet devait faire face. Suite à cette étape, le dimensionnement des composantes
électroniques, la conception et la programmation des instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre,
fréquencemètre et la mesure de la vitesse du vent), la programmation de l’affichage ACL, la logique de
programmation, l’interface d’acquisition et le simulateur ont été développés.
La finalité de ce projet présente une lecture des valeurs précise au centième, précision amplement suffisante
pour l’acquisition à long terme et pour les prises de décision du microcontrôleur. Les essais finaux faits en
laboratoire présentent les comportements anticipés par l’étude du système sur MATLAB : Simulink. Le
freinage avec résistance est efficace, ne perturbe pas la charge à alimenter tout en évitant l’entretien fréquent
de l’éolienne. Le système de contrôle, de type évolutif, permettra d’ajouter des équipements dans le futur
(sorties disponibles). Le développement de cette gestion de l’énergie sur un système éolien fut réalisé à faible
coût.

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées
Module d’ingénierie
Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page | iii
TABLE DES MATIERES
1Introduction .................................................................................................................................................... 1
2Présentation du projet ..................................................................................................................................... 2
2.1Description de l’entreprise ...................................................................................................................... 2
2.2Description de l’équipe du travail .......................................................................................................... 2
2.3Problématique et état de l’art reliés au projet ......................................................................................... 2
2.3.1Aérogénérateur ............................................................................................................................... 3
2.3.2Électronique de puissance .............................................................................................................. 5
2.3.3Électronique .................................................................................................................................... 6
2.3.4Dimensionnement des conducteurs et des protections ................................................................... 7
2.4Objectifs généraux et spécifiques du projet ............................................................................................ 7
3Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet .................................................................... 8
3.1Aspects techniques ................................................................................................................................. 9
3.1.1Présentation des composantes principales ...................................................................................... 9 
3.1.2Principes d’asservissement proposés ............................................................................................ 13
3.1.3Résistance de freinage à grande puissance ................................................................................... 15
3.1.4Essais de l’alternateur en laboratoire ............................................................................................ 16
3.1.5Analyse comportementale à l’aide du simulateur MATLAB ....................................................... 18
3.2.1Développement du programme du dsPIC ..................................................................................... 29
3.3Éléments de conception ........................................................................................................................ 30
3.3.1Schématique de câblage, unifilaire et schéma de disposition ....................................................... 30
3.3.2Dimensionnement des composantes physiques ............................................................................ 30
3.3.3Conception et programmation des différents appareils de mesure ............................................... 40
3.3.4Logique de contrôle ...................................................................................................................... 53
3.3.5Conception et programmation de l’affichage à cristaux liquides ................................................. 55
3.3.6Conception et programmation du simulateur de vérification du contrôleur ................................. 57
3.3.7Interface d’acquisition et de simulation ........................................................................................ 64
4Bilan des activités ......................................................................................................................................... 67
4.1Arrimage formation pratique/universitaire ........................................................................................... 67
4.2Travail d’équipe .................................................................................................................................... 67
4.3Respect de l’échéancier ........................................................................................................................ 69
4.4Analyse et discussion ............................................................................................................................ 70
5Conclusion et recommandations ................................................................................................................... 73

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées
Module d’ingénierie
Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page | iv
6Bibliographie ................................................................................................................................................ 74
6.1Monographies ....................................................................................................................................... 74
6.2Notes de cours ...................................................................................................................................... 74
6.3Chapitres de livre .................................................................................................................................. 74
6.4Sites web ............................................................................................................................................... 75
Annexe A ............................................................................................................................................................. 76
Annexe B ............................................................................................................................................................. 79

Université du Québec à Chicoutimi Département des Sciences Appliquées
Module d’ingénierie
Gestion de l’énergie électrique sur système éolien Page | v
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Circuit de base d'un redresseur triphasé à diodes ................................................................................... 5
Figure 2 : Circuit de base d'un hacheur série ......................................................................................................... 5
Figure 3: Comportement d’un hacheur série ......................................................................................................... 5
Figure 4 : Circuit de base d'un hacheur série ......................................................................................................... 5
Figure 5: Schéma typique d'une alimentation à découpage en mode dévolteur. ................................................... 6
Figure 6: Schéma d'un amplificateur soustracteur ................................................................................................. 6
Figure 7 : Schéma d'un amplificateur suiveur ....................................................................................................... 6
Figure 8: Puissance générée de l'éolienne selon la vitesse des vents .................................................................. 10
Figure 9: Installation de l'éolienne (9 octobre 2009) ........................................................................................... 14
Figure 10: Tension délivrée de l'alternateur en fonction de sa vitesse de rotation .............................................. 16
Figure 11 : Tension délivrée en fonction de la charge demandée ....................................................................... 16
Figure 12: Fréquence de la tension délivrée en fonction de la vitesse d'entraînement ........................................ 17
Figure 13 : Vue d'ensemble du simulateur «Simulink» ....................................................................................... 18
Figure 14: Programmation de l'aérogénérateur ................................................................................................... 19
Figure 15: Programmation du pont de diodes ..................................................................................................... 20
Figure 16 : Schématique de branchement des batteries ....................................................................................... 21
Figure 17: Programmation des batteries .............................................................................................................. 21
Figure 18: Programmation de la charge de secours ............................................................................................. 21
Figure 19: Programmation du MOSFET ............................................................................................................. 22
Figure 20 : Programmation de la charge de secours ............................................................................................ 22
Figure 21: Exemple de programmation du rapport cyclique ............................................................................... 22
Figure 22: Programmation des charges fictives .................................................................................................. 23
Figure 23 : Programmation du temps d'activation des charges ........................................................................... 23
Figure 24: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-1000W) .................................. 24
Figure 25 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-1000W) ...................................................... 24
Figure 26 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-1000W).......................................................... 24
Figure 27 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.1-2000W) ................................. 25
Figure 28 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.1-2000W) ...................................................... 25
Figure 29 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.1-2000W).......................................................... 25
Figure 30: Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.2) ............................................... 26
Figure 31 : Courants circulant dans le système (conditions 4.5.3.2) ................................................................... 26
Figure 32 : Courant circulant dans la charge (conditions 4.5.3.2) ....................................................................... 26
Figure 33 : Tension d'une batterie (conditions 4.5.3.2) ....................................................................................... 27
Figure 34 : Tensions du pont DC et aux bornes de la charge (conditions 4.5.3.3) .............................................. 27
Figure 35 : Rapport cyclique du MLI (conditions 4.5.3.3) .................................................................................. 28
Figure 36 : Courant moyen circulant dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) ......................................... 28
Figure 37 : Puissance moyenne dissipée dans la charge de secours (conditions 4.5.3.3) ................................... 28
Figure 38 : Plaquette de développement ............................................................................................................. 29
Figure 39 : Schéma de fonctionnement de la protection ..................................................................................... 32
Figure 40: Schématique et physique du MOSFET de puissance ......................................................................... 33
Figure 41: Montage pour le dimensionnement de la diode de roue libre ............................................................ 34
Figure 42:Comportement du circuit de la charge de secours .............................................................................. 34
Figure 43: Schématique et physique du redresseur triphasé à diodes ................................................................. 35