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Rapport de Projet de Fin d’Etude
MODELISATION MULTIPHYSIQUE D’UNE EOLIENNE SOUS
SIMSCAPE
Paul JANTAC |Section mécatronique
Septembre 2011
Tuteurs de stage : Henri GAJAN
Professeur tuteur : Marc VEDRINES

Rapport de PFE
Modèle multiphysique d’éolienne sous SIMSCAPE
Paul JANTAC | INSA de Strasbourg |Section mécatronique |
Septembre
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Sommaire
Résumé ........................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
Remerciements ....................................................................................................................10
PARTIE 1. Introduction générale ..........................................................................................11
1.1. Présentation de Safran Engineering Services ....................................................................................... 11
1.1.1. Le groupe SAFRAN ........................................................................................................................ 11
1.1.2. Safran Engineering Services ........................................................................................................... 12
1.1.3. Ma place dans l’entreprise ............................................................................................................ 13
1.2. Contexte et sujet de stage ................................................................................................................... 14
1.3. Présentation de l’outil de modélisation Simscape................................................................................ 15
1.3.1. Présentation de la toolbox ............................................................................................................ 15
1.3.2. Philosophie de la toolbox .............................................................................................................. 17
PARTIE 2. Présentation du système .....................................................................................21
2.1. Introduction ........................................................................................................................................ 21
2.2. Présentation générale du système éolienne ........................................................................................ 21
2.3. Choix du type d’éolienne ..................................................................................................................... 22
2.4. Analyse et découpage du système ....................................................................................................... 23
2.4.1. Architecture fonctionnelle ............................................................................................................ 23
2.4.2. Architecture organique ................................................................................................................. 25
2.4.3. Diagramme des relations physiques .............................................................................................. 26
PARTIE 3. Modélisation des différents sous-systèmes .........................................................27
3.1. Introduction ........................................................................................................................................ 27
3.2. Modélisation du sous-système Capter vent ......................................................................................... 27
3.2.1. Choix technologique ..................................................................................................................... 27
3.2.2. Modélisation du sous-système Capter vent ................................................................................... 27
3.2.3. Implémentation sous SIMSCAPE .................................................................................................... 31
3.3. Modélisation du sous-système Mécanique .......................................................................................... 32
3.3.1. Choix technologiques .................................................................................................................... 32
3.3.2. Modélisation du sous-système mécanique .................................................................................... 34
3.3.3. Implémentation sous SIMSCAPE .................................................................................................... 36
3.4. Modélisation du sous-système Production Electrique .......................................................................... 40
3.4.1. Sous sous-système générateur ...................................................................................................... 40
3.4.2. Sous sous-système circuit d’interface ............................................................................................ 51
3.4.3. Implémentation sous SIMSCAPE du sous-système Production électrique dans son ensemble......... 57
3.5. Modélisation du sous-système Distribution électrique ........................................................................ 58
PARTIE 4. Dimensionnement ...............................................................................................60
4.1. Introduction ........................................................................................................................................ 60

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4.2. vent dimensionnant ............................................................................................................................ 60
4.3. Dimensionnement de la turbine .......................................................................................................... 61
4.4. Dimensionnement de la génératrice .................................................................................................... 64
4.5. Dimensionnement du circuit d’interface .............................................................................................. 64
4.5.1. Semi-conducteurs ......................................................................................................................... 64
4.5.2. Etage continu ................................................................................................................................ 64
4.6. Dimensionnement du sous-système mécanique .................................................................................. 65
4.6.1. Boite de vitesse ............................................................................................................................. 65
4.6.2. Frein ............................................................................................................................................. 67
PARTIE 5. Commande de l’éolienne .....................................................................................70
5.1. Introduction ........................................................................................................................................ 70
5.2. Profil de fonctionnement idéal ............................................................................................................ 70
5.3. Choix technologique ............................................................................................................................ 72
5.4. Stratégie de contrôle ........................................................................................................................... 73
5.5. Commande du pitch – régulation de la puissance ................................................................................ 79
5.6. Commande de l’onduleur côté génératrice - commande en vitesse de la MAS .................................... 80
5.6.1. Introduction .................................................................................................................................. 80
5.6.2. Commande en vitesse de la MAS ................................................................................................... 80
5.6.3. Régulation en vitesse .................................................................................................................... 82
5.7. Commande du hacheur de freinage ..................................................................................................... 83
PARTIE 6. Assemblage et simulation du modèle ..................................................................85
6.1. Structure du modèle sous SIMULINK/SIMSCAPE .................................................................................. 85
6.2. Simulation ........................................................................................................................................... 87
6.2.1. Conditions de simulation ............................................................................................................... 87
6.2.2. Résultats bruts sur la durée totale de simulation ........................................................................... 88
6.2.3. Phase de démarrage  à  ............................................................................................. 90
6.2.4. Accélération de la turbine  à  .................................................................................. 91
6.2.5. Production/dissipation de puissance à  ................................................................ 92
6.2.6. Limitation de puissance à  ................................................................................... 93
6.2.7. Vitesse variable à  ................................................................................................ 94
6.2.8. Freinage  à  ........................................................................................................ 95
PARTIE 7. Conclusions ..........................................................................................................96
7.1. Accomplissements du projet ................................................................................................................ 96
7.2. Apports personnels.............................................................................................................................. 96
Bibliographie ........................................................................................................................97
PARTIE 8. Annexes .................................................................................................................1
8.1. Mise en équation d’une machine asynchrone ........................................................................................ 2
8.1.1. Introduction, hypothèses ................................................................................................................ 2

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8.1.2. Modélisation par calcul des flux dans les bobines ............................................................................ 3
8.1.3. Modélisation en passant par le domaine de Park ............................................................................. 5
8.1.4. Obtention du schéma équivalent électrique monophasé de Steinmetz .......................................... 12
8.2. Commande directe de couple de la machine asynchrone ..................................................................... 16
8.3. Modélisation d’un redresseur réversible à thyristor ............................................................................ 21
8.4. Présentation de la librairie SIMSCAPE/SIMULINK associée au modèle................................................. 24
8.5. Code source des blocs SIMSCAPE crées pour le modèle ........................................................................ 27
8.5.1. Boite de vitesse ............................................................................................................................. 27
8.5.2. Frein ............................................................................................................................................. 27
8.5.3. Machine asynchrone ..................................................................................................................... 28
8.5.4. Interrupteur commandé – IGBT ..................................................................................................... 31
8.6. Cahier des charges détaillé du projet EURUS ....................................................................................... 32
8.7. Documentations fabricants ................................................................................................................. 35
8.7.1. Pales ATV ...................................................................................................................................... 35
8.7.2. Eolienne UOU ............................................................................................................................... 36
8.7.3. IGBT International Rectifier ........................................................................................................... 37

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Table des figures
Figure 1 : Organisation de Labinal et de Safran Engineering Services................................................................ 12
Figure 2 : Répartition du chiffre de affaire de Safran Engineering Services en fonction de ses clients................ 12
Figure 3 : Répartition du chiffre d'affaire en fonction des centres de compétence ........................................... 13
Figure 4 : Ma place dans l'organigramme de l'entreprise ................................................................................. 14
Figure 5 : Modèle SIMSCAPE d'un circuit RC avec générateur et capteur. ......................................................... 16
Figure 6 : Version 3.2 (MATLAB R2009b) de la toolbox SIMSCAPE .................................................................... 17
Figure 7 : Version 5.2 (MATLAB R2009b) de la toolbox SimPowerSystem ......................................................... 17
Figure 8 : Bloc resistor de SIMSCAPE et son masque ........................................................................................ 18
Figure 9 : Code source du bloc resistor ............................................................................................................ 19
Figure 10 : Signes du courant et de la tension ................................................................................................. 20
Figure 11 : Eolienne à axe horizontal ............................................................................................................... 21
Figure 13 : Eolienne Savonius .......................................................................................................................... 22
Figure 12 : Eolienne à axe vertical de type Darrieus (hélicoïdale à gauche et parabolique à droite) .................. 22
Figure 14 : Architecture fonctionnelle ............................................................................................................. 24
Figure 15 : Architecture organique .................................................................................................................. 25
Figure 16 : Architecture organique et relations physiques entre les organes .................................................... 26
Figure 17 : Sous-système Capter vent .............................................................................................................. 27
Figure 18 : Décomposition de la turbine .......................................................................................................... 27
Figure 19 :  et S .................................................................................................................................. 28
Figure 20 : Profil idéal théorique du rendement aérodynamique (Cp) d'une turbine d'éolienne en fonction de λ
et  ................................................................................................................................................................ 29
Figure 21 : Courbes caractéristiques de la formulation du Cp choisie ............................................................... 30
Figure 23 : Bloc Sous-système Capter vent ...................................................................................................... 31
Figure 22 : Algorithme du sous-système Capter vent ....................................................................................... 31
Figure 24 : Sous-système Mécanique .............................................................................................................. 32
Figure 25 : Transmission intégrale hydraulique Chapdrive ............................................................................... 33
Figure 26 : Décomposition du sous-système Mécanique .................................................................................. 34
Figure 27 : Comportement du frein ................................................................................................................. 35
Figure 28 : Schéma cinématique de la boite de vitesse .................................................................................... 36
Figure 29 : Bloc Frein et son masque ............................................................................................................... 37
Figure 30 : Bloc FREIN dans un modèle de validation et résultat de la simulation du frein ................................ 38
Figure 31 : Bloc SIMSCAPE de la boite de vitesse et son masque ...................................................................... 39
Figure 32 : Bloc Sous-système mécanique ....................................................................................................... 39
Figure 33 : Sous-système Production électrique .............................................................................................. 40
Figure 34 : Eolienne avec MS à aimant permanent .......................................................................................... 40
Figure 35 : Eolienne avec MS à rotor bobiné .................................................................................................... 41
Figure 36 : Eolienne avec MAS à cage d'écureuil .............................................................................................. 41
Figure 37 : Eolienne avec MAS à double alimentation (MADA) ......................................................................... 42
Figure 38 : Décomposition du sous sous-système générateur .......................................................................... 42
Figure 39 : Bloc Machine asynchrone sous SIMSCAPE avec bloc inertia pour prendre en compte l'inertie de la
machine et de l'arbre qui la relie à la boite de vitesse ...................................................................................... 44
Figure 40 : Masque du bloc MAS SIMSCAPE ..................................................................................................... 45
Figure 41 : Caractéristiques superposées des MAS SimPowerSystem et SIMSCAPE .......................................... 46
Figure 42 : Superposition des caractéristiques, zoom sur le régime transitoire ................................................. 46
Figure 43 : Ecart de la caractéristique Couple/Vitesse de la MAS SIMSCAPE par rapport à la MAS
SimPowerSystem ............................................................................................................................................ 47
Figure 44 : Conditions de simulation ............................................................................................................... 47
Figure 45 : Comparaison MAS SimPowerSystem VS MAS SIMSCAPE en fonctionnement moteur ...................... 48
Figure 46 : Ecarts relatif et brut en couple et en vitesse de la MAS SIMSCAPE par rapport à la MAS
SimPowerSystem ............................................................................................................................................ 49
Figure 47 : Comparaison MAS SimPowerSystem VS MAS SIMSCAPE en fonctionnement génératrice ................ 50
Figure 48 : Décomposition du sous sous-système circuit d’interface ................................................................ 51
Figure 49 : Onduleur de tension à IGBT ........................................................................................................... 52