PDF - 13.1 Mo

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA
RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET D’INFORMATIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
Thèse
Présentée pour l’obtention du grade de
Docteur 3ème Cycle en Electrotechnique
par
Koussaila MESBAH
Thème
Etude du générateur asynchrone et
coordination des puissances dans une ferme
éolienne connectée au réseau
Soutenu publiquement le 02 Juin 2016 devant le jury
M.BENAMROUCHE Nacereddine
Professeur, UMMTO
Président
M. OTMANE-CHERIF Tahar
Maitre de Conférences Classe A, UMMTO
Rapporteur
M. HADDAD Salah
Professeur, UMMTO
Examinateur
M. GHANES Malek
Professeur, Ecole Centrale de Nantes
Examinateur
M. BARBOT Jean Pierre
Professeur, ENSEA Paris
Examinateur
Directeur de thèse : M.OTMANE-CHERIF Tahar
Laboratoire de Conception et Conduite des Systèmes de Production L2CSP

Dédicaces
- I -
Dédicaces
A la mémoire de ma grand-mère ‘ Yemma WISA’
A tous ceux qui ont sacrifié leur temps pour la science et à tous
ceux qui utilisent la science pour le bien et la prospérité de
l’humanité

Remerciements
- I -
Remerciements
Ces travaux de recherche ont été réalisés au sein du Laboratoire de Conception et Conduite des
Systèmes de Production L2CSP de l’université Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou.
Mes premiers remerciements s’adressent à Monsieur Tahar OTMANE-CHERIF, mon directeur
de thèse, ainsi que Monsieur Hamid SEDDIKI pour leurs dévouements, leurs conseils judicieux et
l’intérêt qu’ils ont accordé à mes travaux. Je leurs suis très reconnaissant pour la confiance qu’ils
m’ont témoignée tout le long de mes travaux de recherche.
Je remercie Monsieur Nacereddine BENAMROUCHE, Professeur à l’Université Mouloud
MAMMERI de Tizi-Ouzou (U.M.M.T.O) pour l’honneur qu’il nous fait en acceptant de présider ce
jury.
Que Monsieur Salah HADDAD, Professeur à l’université Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou
(U.M.M.T.O) trouve ici l’expression de mes vifs remerciements pour avoir accepté d’examiner ce
travail et de faire partie du jury.
J’adresse mes remerciements à Monsieur Malek GHANES, Professeur à l’Ecole Centrale de
Nantes pour avoir accepté d’examiner ce travail et de faire partie du jury.
J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Jean Pierre BARBOT, Professeur à l’Ecole
Nationale Supérieure de l’Electronique et de ses Applications (E.N.S.E.A) de Paris pour avoir accepté
d’examiner ce travail et de faire partie du jury.
Je tiens également à remercier chaleureusement les autres membres de l’équipe de recherche :
M. Boussad BOUKAIS, M. Said HARMIM, pour leurs remarques et interrogations judicieuses
M. Ali BECHOUCHE, pour ses conseils, ses remarques et ses encouragements
M. Adel RAHOUI, mon ami et Doctorant au sein de notre laboratoire, pour m’avoir soutenu et
auquel je souhaite une bonne continuité et une réussite dans ses travaux de thèse.
Un grand merci à toute l’équipe pour leurs qualités humaines, leurs esprits d’équipe et leurs
expériences scientifiques et professionnelles qui a rendu possible l’accomplissement de mes travaux de
recherches.
Je veux continuer en remerciant tout le personnel administratif du département d’Electrotechnique
et du laboratoire avec qui j'ai eu beaucoup de plaisir à échanger des idées, mais aussi des discussions
informelles, en particulier l’ingénieur du laboratoire Melle F.Z. Hacid.
Je voudrais également remercier quelques thésards avec qui j’ai partagé des moments inoubliables.
D’autres remerciements à tous mes amis de ma région ATH OUACIFS, et de la résidence
universitaire Hasnaoua « E-01 » de Tizi-Ouzou.
Je voudrais terminer en remerciant mon grand-père, mes parents, ma sœur, mon frère, mon oncle,
mes tantes maternelles et leurs familles pour leur soutient durant ces cinq longues années.

Table des matières
1
Table des matières
Table des matières ....................................................................................................................................... 1
Introduction générale .................................................................................................................................. 5
I Etat de l’art sur les systèmes éoliens ............................................................................................ 9
I.1. Introduction .......................................................................................................................... 10
I.2. Développement et historique ............................................................................................... 11
I.3. Conversion de l’énergie et son contrôle .............................................................................. 12
I.4. Différentes types d’aérogénérateurs – caractéristiques Cp .................................................. 13
I.4.1. Eoliennes à axe vertical ....................................................................................................... 13
I.4.2. Eoliennes à axe horizontal ................................................................................................... 13
I.4.3. Nombre de pales .................................................................................................................. 14
I.4.4. Système isolé ou connecté ................................................................................................... 14
I.4.6. Systèmes à vitesse fixe ........................................................................................................ 15
I.4.6.1. Machine asynchrone à cage d’écureuil ................................................................................ 15
I.4.6.2. Machine à double stator ....................................................................................................... 16
I.4.7. Systèmes à vitesse variable .................................................................................................. 16
I.4.7.1. Système basé sur la machine asynchrone ............................................................................ 16
I.4.7.2. Système basé sur la machine asynchrone à double alimentation ......................................... 17
I.5. Récapitulatif de la comparaison ........................................................................................... 20
I.6. Architecture et connexion des fermes éoliennes au réseau .................................................. 21
I.7. Niveaux de tension de raccordement ................................................................................... 22
I.8. Problèmes induits par l’intégration des générateurs éoliens dans les réseaux ..................... 22
I.8.1. Effet sur les flux de puissance ............................................................................................. 22
I.8.2. Effet sur la tension ............................................................................................................... 23
I.8.3. Effet sur le plan de protection .............................................................................................. 23
I.8.4. Effet sur les puissances de court-circuit .............................................................................. 24
I.8.5. Capacité d’accueil du réseau ................................................................................................ 24
I.8.6. Prévision de la production ................................................................................................... 24
I.8.7. Déconnexions intempestives ................................................................................................ 24
I.8.8. Effets sur la fréquence du réseau ......................................................................................... 25
I.9. Contraintes de raccordement des installations de production aux réseaux électriques ....... 25
I.9.1. Contraintes de raccordement sur le réseau de distribution HTA ......................................... 25
I.9.1.1. Puissance de court-circuit .................................................................................................... 25
I.9.1.2. Réglage de la tension ........................................................................................................... 26
I.9.1.3. Production ou absorption d’énergie réactive ....................................................................... 26
I.9.1.4. Qualité de l’énergie .............................................................................................................. 26
I.9.1.5. Couplage au réseau et participation à la reconstitution du réseau ....................................... 26
I.9.1.6. Protection du système électrique ......................................................................................... 26
I.9.1.7. Le programme de fonctionnement ....................................................................................... 27
I.9.2. Contraintes de raccordement sur le réseau de transport HTB ............................................. 27
I.9.3. Raccordement en basse tension ........................................................................................... 27
I.9.3.1. Critères et contraintes propres au « petit éolien » ................................................................ 27
I.9.3.2. Sécurité ................................................................................................................................ 27
I.9.3.3. Qualité réseau/Flicker .......................................................................................................... 27
I.10. Problématique et stratégie d’étude ....................................................................................... 28
I.11. Conclusion ........................................................................................................................... 28

Table des matières
2
II Fonctionnement de la MADA en régime permanent ......................................................................... 30
II.1. Introduction .......................................................................................................................... 31
II.2. Equations de la MADA dans le repère tournant dq ............................................................. 31
II.2.1. Equations électriques ........................................................................................................... 31
II.2.2. Equations des flux ................................................................................................................ 31
II.2.3. Couple électromagnétique ................................................................................................... 31
II.2.4. Equation mécanique ............................................................................................................. 32
II.3. Modèle de la MADA en régime permanent ......................................................................... 32
II.3.1. Schéma équivalent ramené au stator .................................................................................... 33
II.3.2. Schéma équivalent modifié de la MADA ............................................................................ 34
II.4. Les quatre quadrants de Fonctionnement de la MADA ...................................................... 35
II.4.1. Fonctionnement en moteur et en hypo synchrone .............................................................. 35
II.4.2. Fonctionnement en moteur et en hyper synchrone ............................................................. 36
II.4.3. Fonctionnement en générateur et en hypo synchrone ......................................................... 36
II.4.4. Fonctionnement en générateur et en hyper synchrone ........................................................ 36
II.5. Différentes caractéristiques de la MADA ............................................................................ 37
II.5.1. Puissance active de la MADA ............................................................................................. 37
II.5.2. Puissance réactive et apparente de la MADA ...................................................................... 37
II.5.3. Rendement de la MADA ..................................................................................................... 37
II.6. Caractéristiques de la MADA en régimes établi ................................................................. 38
II.6.1. Caractéristique de Ce= f(g) ................................................................................................... 39
II.6.2. Caractéristique Pm= f(g) ....................................................................................................... 41
II.6.3. Caractéristique Pr= f(g) ....................................................................................................... 42
II.6.4. Caractéristique Qr= f(g) ....................................................................................................... 43
II.6.5. Caractéristique Pmada= f(g) ................................................................................................... 43
II.6.6. Caractéristique Qmada= f(g) ................................................................................................... 44
II.7. Conclusion ........................................................................................................................... 45
III Fonctionnement de la MADA en régime permanent à facteur de puissance unitaire ................... 46
III.1. Introduction .......................................................................................................................... 47
III.2. Condition de fonctionnement à
cos 1
........................................................................... 47
III.2.1. Caractéristiques externes Ce=f(g) ........................................................................................ 49
III.2.2. Caractéristiques Pmada=f(g) .................................................................................................. 50
III.2.3. Caractéristiques Pr=f(g) et Qr=f(g) ...................................................................................... 51
III.2.4. Rendement de la MADA ..................................................................................................... 52
III.3. Limites de fonctionnement de la MADA ............................................................................ 52
III.3.1. Limitation du courant rotorique ........................................................................................... 52
III.3.2. Limitation par le glissement ................................................................................................ 52
III.3.3. Limitation par la tension Vrd ................................................................................................ 53
III.3.4. Limitation du courant statorique .......................................................................................... 54
III.3.5. Limitation de la tension rotorique ........................................................................................ 55
III.4. Commande en boucle ouverte de la MADA ........................................................................ 55
III.4.1. Première méthode ................................................................................................................ 56
III.4.2. Deuxième méthode .............................................................................................................. 57
III.4.3. Résultats de simulation ........................................................................................................ 58
III.5. Validations expérimentales .................................................................................................. 59
III.6. Conclusion ........................................................................................................................... 60
IV Etude du redresseur en régime permanent à facteur de puissance unitaire .................................. 61
IV.1. Introduction .......................................................................................................................... 62
IV.2. Principe de fonctionnement de la partie puissance .............................................................. 62