CI21 Parc éolien plouarzel2016-06

CI21 Distribuer l’énergie électrique
LE PARC EOLIEN DE PLOUARZEL
Le parc éolien de PLOUARZEL, d’une puissance totale de 3,3 MW,
appartient à la première tranche du programme de développement
EOLE. Sa réalisation a nécessité un investissement total de 3,4
millions d’euros.
Sa réalisation et son exploitation ont été confiées à la société « LA
COMPAGNIE DU VENT ». L’ouvrage, dont la construction a durée
six mois, a été inauguré le 2 février 2001.
Caractéristiques techniques des éoliennes Vestas V47-660
Structure de l’éolienne :
Génératrice asynchrone triphasée
Tour tubulaire en acier :
Hauteur : 38,4 mètres
D base : 3 mètres
D tête : 2 mètres
Rotor :
Diamètre de l’hélice : 47 mètres
Vitesse de rotation : 28,5 tr/min
Masses :
tour : 28,9 tonnes,
nacelle : 20,4 tonnes,
rotor : 7,2 tonnes.
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Le domaine d’emploi de l’éolienne se situe sur une plage de vent de 4 à 25 m/s.
Pour raison de sécurité, au-delà de 25 m/s les pales sont mises en drapeau (parallèles à la direction du vent) et
leur portance devient quasiment nulle, le rotor tourne en roue libre et la génératrice est déconnectée du réseau.
Dès que la vitesse du vent diminue, l’éolienne se remet en production.
La puissance utile électrique en fonction de la vitesse du vent est donnée ci-dessous.
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CALCULS MECANIQUES PRELIMINAIRES.
1.1 Les éoliennes de type Vesta V47 utilisent des multiplicateurs de vitesse mécaniques pour adapter la vitesse de l’hélice
au générateur. La vitesse de l’hélice est quasi constante mais son pas est variable afin de faire varier la puissance
mécanique transmise au générateur.
 Donner la vitesse nominale de l’hélice.
 Donner la plage de vitesse du générateur.
 Déterminer l’indice du multiplicateur de vitesse en retenant la vitesse minimale de la génératrice.
1.2 La puissance électrique PE désirée (puissance nominale utile) est de 660 Kw. Le rendement mécanique de l’ensemble
(rm), est estimé à 90% et le rendement de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique (re), est estimé à
96,5%.
 Relever la vitesse de vent à partir de laquelle la puissance utile électrique PE de 660kW est atteinte. Donner cette
vitesse en m/s puis en km/h.
 Faire un schéma représentatif de l’organisation du système et situer toutes les données connues et les notations
utiles à votre raisonnement.
 Déduire la puissance mécanique Pmv transmise par le vent à l'arbre lent de l'aérogénérateur, ainsi que le couple
mécanique Tmv qui lui correspond.
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CONDITIONS TECHNIQUES DE RACCORDEMENT AU RESEAU PUBLIC D’UN PARC EOLIEN
et COMPENSATION DE L’ENERGIE REACTIVE.
Les conditions techniques de raccordement au réseau public des installations de production autonome d’énergie électrique
de moins d’un mégawatt sont définies par l’arrêté du 21 juillet 1997. Cet arrêté précise les obligations des producteurs
d’énergie électrique quant à la fourniture de l’énergie réactive nécessaire au fonctionnement des générateurs.
Il stipule notamment :
 que dans le cadre général de la fourniture d’énergie électrique au réseau national, la fourniture de l’énergie
réactive indispensable au fonctionnement de la machine incombe au producteur,
 que le producteur doit fournir au point de raccordement réseau, une puissance réactive Qa, telle que Qa = 0,4.Pan,
avec Pan puissance active nominale de l’installation,
 que lorsque l’installation de production comporte des génératrices asynchrones, la fourniture de puissance réactive
se fera à l’aide de batteries de condensateurs, qui pourront être installées directement chez le producteur.
Avertissement : tous les calculs qui suivent s’appliquent à des éléments triphasés équilibrés (génératrice, batterie
de condensateurs) fonctionnant en régime sinusoïdal pur.
2.1 A partir des caractéristiques techniques de la génératrice au point nominal :
 Calculer la puissance active nominale (Pan) débitée par la génératrice.
 Calculer la puissance réactive nominale de la génératrice (Qan).
 En déduire le rapport Qan / Pan et le facteur de puissance Fpn correspondant.
2.2 Dans le respect de la réglementation en vigueur, on désire obtenir un rapport Qa / Pan ≤ 0,4.
 Déterminer la puissance réactive Qc qu’on doit fournir à la machine pour remplir cette condition.
2.3 Le constructeur équipe la génératrice d’une batterie de condensateurs triphasée fournissant 250 kVAR.
(QC = - 250 kVAR)
 Déterminer le rapport Qa / Pan de l’ensemble génératrice + batterie de condensateurs ainsi constitué.
 Conclure sur le respect de la réglementation.
2.4 On insère, en parallèle avec la génératrice, la batterie de compensation triphasée de 250 kVAR prévue par le
constructeur. La batterie, supposée parfaite, est câblée en étoile. On rappelle que la puissance réactive fournie par un
2
condensateur est Qc = - C.ω.Uc avec Uc la tension aux bornes du condensateur.


Dessiner le schéma de raccordement des condensateurs qui forment la batterie.
Calculer, pour le couplage étoile, la capacité C des condensateurs à utiliser dans chacune des branches.
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Calculer l’intensité du courant IC dans les fils alimentant la charge capacitive.
Calculer l’intensité du courant IRES débité par l’ensemble machine asynchrone + charge capacitive et le comparer
au courant initial avant compensation.
3 CAPTAGE DE LA VITESSE DU VENT PAR UN ANEMOMETRE
L’anémomètre est constitué d’un « capteur à godets » qui entraîne en rotation une
génératrice à courant continu. La tension de sortie de cette génératrice est proportionnelle
à la vitesse du vent.
Caractéristiques techniques :
 Capteur à roue à godet multidirectionnel
 Précision : meilleure que 2%
 Linéarité : meilleure que 1%
-1
-1
 Gamme de vitesses mesurées : 0 m.s à 55 m.s
-1
 Vitesse maxi supportée 65 m.s
 Alimentation 12 – 24V DC
Le constructeur fournit les courbes de qualification de l’anémomètre (voir ci-dessous). La vitesse de rotation et la tension
de sortie sont liées à la vitesse du vent.
Cette dernière est donnée en différentes unités selon le pays d’exploitation du matériel.
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3.1 Rôle de l’anémomètre
 Citer la raison principale imposant la mesure permanente de la vitesse du vent.
3.2 Exploitation de la documentation constructeur (figure page 3).
 Déterminer, lorsque le vent souffle à la vitesse V = 14 m/s puis V = 25 m/s, la vitesse de l’anémomètre N en tr/min
et la tension de sortie VV en volts.
 Citer la propriété importante liant la vitesse du vent et l’information de tension exploitée par l’automatisme, d’après
l’allure des courbes de qualification.
Mise en forme de l’information issue de l’anémomètre.
Le schéma ci-dessous représente le schéma de mise en forme de la
tension issue de l’anémomètre.
Le module G (image ci-contre) est un convertisseur tension / courant qui
permet de transmettre l’information de vitesse à distance sous forme d’un
courant IS avec une plus grande immunité aux perturbations électriques de
l’environnement.
RE représente la résistance d’entrée du convertisseur.
-2
On donne G = IS / VE = 10 A/V.
Câble de liaison
Anémomètre
RA
G
IS
VV
RS
RE
RB
VE
VS
3.3 Exprimer la tension VE en fonction de VV et des éléments RA, RB et RE.
3.4 Dire que devient l’expression de VE si RE >> RA et RB ?
3.5 Faire les applications numériques pour VE si la VV = 2V, RA = 10k, RB = 10k et RE = 1M.
On retiendra pour la suite VE = VV / 2
3.6 Exprimer IS en fonction de VE et faire l’application numérique pour le point donné en 3.5.
En récapitulant les résultats utiles fournis dans les questions 3.2 à 3.6.
3.7 Donner la relation numérique entre la vitesse du vent V en m/s et le courant I S en mA sous la forme IS = KV. V.
3.8 Calculer la résistance RS de façon à obtenir une tension VS = 5V, pour une vitesse de vent V = 14m/s.
Lorsque la vitesse du vent varie de 14 à 25 m/s.
3.9 Déduire la plage de variation de VS et représenter le graphe VS = f(V) avec les échelles sur les 2 axes.
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