Thèse DOCTEUR Tarak GHENNAM

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N° d’ordre : 162
Ecole Militaire Polytechnique d’Alger
Ecole Centrale de Lille
Thèse
présentée en vue d’obtenir le grade de
DOCTEUR
En
spécialité : Génie Electrique
par
Tarak GHENNAM
DOCTORAT DELIVRE CONJOINTEMENT
PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE ET L’ECOLE MILITAIRE POLYTECHNIQUE D’ALGER
Supervision d’une ferme éolienne pour son intégration dans la
gestion d’un réseau électrique,
Apports des convertisseurs multi niveaux au réglage des
éoliennes à base de machine asynchrone à double alimentation
Soutenue le 29/09/2011 devant le jury d’examen :
M. F. BOUDJEMA Président Professeur à l’ENP d’Alger
M. M.E.H. BENBOUZID Rapporteur Professeur à l’U. de Bretagne Occidentale, LBMS
M. S. HADDAD Rapporteur Professeur à l’U. de Tizi Ouzou
M. S. SAADATE Examinateur Professeur à l’U. Henri Poincaré Nancy 1, GREEN
M. E.M. BERKOUK Co-directeur Professeur à l’ENP d’Alger
M. B. FRANCOIS Co-directeur Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, L2EP
M. K. ALIOUANE Invité Maitre de conférences à l’EMP d’Alger
Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance (L2EP) de l’EC-Lille et au
Laboratoire d’Electronique de Puissance de l’EMP, dans le cadre d'une co-tutelle de thèse
Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)

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Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué aux :
• Laboratoire d’Electronique de Puissance de l’UER Electrotechnique à l’Ecole Militaire
Polytechnique d’Alger (EMP), sous la direction du monsieur El Madjid BERKOUK
(Professeur à l’ENP-Alger).
• Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique de Puissance (L2EP) au sein de l’équipe
« Réseau Electrique et Systèmes Energétiques » à l’Ecole Centrale de Lille, sous la direction
du monsieur Bruno FRANCOIS (Professeur à l’EC-Lille).
Cette thèse a été réalisée dans le cadre d'une convention de cotutelle entre l’Ecole
Militaire Polytechnique d’Alger (EMP-Alger, Algérie) et l’Ecole Centrale de Lille (EC-Lille,
France).
Je tiens à remercier monsieur El Madjid BERKOUK d’avoir accepté de diriger mon
travail. Je le remercie également pour ses qualités humaines et ses conseils précieux durant
toutes les phases du travail, qu’il trouve ici ma grande reconnaissance.
Je tiens à remercier également monsieur Bruno FRANCOIS tout d’abord pour ses
qualités humaines et aussi pour ses efforts effectués pour la réussite de la convention de
cotutelle. Je suis profondément reconnaissant envers lui pour sa disponibilité, ses conseils, ses
critiques et sa rigueur scientifique qu’il m’a prodigué pour l’élaboration de ce travail.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Fares BOUDJEMA, Professeur à
l’ENP, pour l’honneur qui nous a fait en acceptant d’être président du jury.
Mes remerciements vont également aux membres du jury pour l’honneur qu’ils m’ont
fait en participant à l’évaluation de ce travail :
- Monsieur M.E.H. BENBOUZID, professeur à l’Université de Bretagne Occidentale,
- Monsieur S. SAADATE, professeur à l’Université Henri Poincaré Nancy 1,
- Monsieur S. HADDAD, professeur à l’Université de Tizi Ouzou,
- Monsieur K. ALIOUANE, maitre de conférences à l’EMP d’Alger.
Et en particulier Messieurs M.E.H. BENBOUZID et S. HADDAD qui ont accepté la
charge d’être rapporteurs.
Mes vifs remerciements vont également à tout le personnel de l’UER Electrotechnique de
l’EMP et en particulier messieurs D. MOUSSAOUI, D. MAROUANI, M. KHELIF et F.
AKEL pour leurs aides.
Je ne peux pas clore mes remerciements, sans rendre un grand hommage à toute l’équipe
des enseignant-chercheurs du L2EP et de l’EC-Lille en particulier messieurs X. CIMETIERE,
Ingénieur de recherche à l’EC-Lille, C. RYMEK et S. THOMY, Techniciens à l’EC-Lille et
S. BREBAN, docteur à HEI de Lille pour leurs aides durant mes séjours au L2EP.

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Je dédie ce travail :
 A la mémoire de mon père,
 A ma chère mère, qui n’a jamais cessé de prier pour moi, que dieu la
protège,
 A ma chère femme,
 A mes chères petites filles « Tesnim » et « Meriem »,
 A mes chers frères et sœurs,
 Aux prochains membres de ma petite famille « inchaa alah ».
 A tous mes amis.

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Table des matières
Introduction générale ........................................................................................ 13
Chapitre I. Etat de l’art sur la conversion éolienne ....................................... 19
I.1. Introduction .............................................................................................................. 19
I.2. L’aérogénérateur ...................................................................................................... 19
I.3. Types d’aérogénérateurs .......................................................................................... 20
I.3.1. Aérogénérateurs à axe vertical ......................................................................... 20
I.3.1.1. Aérogénérateurs à rotor de Darrieus ............................................................ 20
I.3.1.2. Aérogénérateurs à rotor de Savonius : ......................................................... 21
I.3.2. Aérogénérateurs à axe horizontal ..................................................................... 22
I.4. Principaux constituants d’une éolienne à axe horizontal ......................................... 22
I.5. Technologie d’éoliennes de grande puissance ......................................................... 23
I.5.1. Principe de conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique . 24
I.5.2. Les éoliennes à vitesse fixe .............................................................................. 24
I.5.3. Intérêt de la vitesse variable ............................................................................. 25
I.5.4. Eoliennes à vitesse variable commandées par le stator .................................... 27
I.5.5. Eolienne à vitesse variable à base de la Machine Asynchrone à Double
Alimentation (MADA) ..................................................................................................... 28
I.5.5.1. Structure de la MADA ................................................................................. 29
I.5.5.2. Modes de fonctionnement de la MADA ...................................................... 29
I.5.5.3. Avantage des éoliennes à base de la MADA ............................................... 30
I.6. Topologie des convertisseurs utilisés pour les éoliennes de grande puissance ........ 32
I.6.1. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la MADA ....................... 33
I.6.2. Convertisseurs utilisés pour les éoliennes à base de la machine asynchrone à
cage ou à aimant permanent ............................................................................................. 34
I.6.3. Intérêt des convertisseurs multi-niveaux pour la conversion éolienne ............ 36
I.6.4. Domaine de fonctionnement des convertisseurs utilisés pour la génération
éolienne .......................................................................................................................... 37
I.6.4.1. Utilisation de n convertisseurs à deux niveaux ............................................ 37
I.6.4.2. Utilisation d’un convertisseur à (n+1) niveaux ............................................ 38
I.6.5. Tendance des futurs convertisseurs statiques ................................................... 39
I.7. Fermes éoliennes ...................................................................................................... 40
I.8. Contraintes de connexion des fermes éoliennes ....................................................... 41
I.9. Conclusion ................................................................................................................ 43
I.10. Référence du chapitre I ............................................................................................ 44
Chapitre II. Modélisation et dispositif de commande d’un système éolien à
base de machine asynchrone à double alimentation ...................................... 48
II.1. Introduction .............................................................................................................. 48
II.2. Modèle de la turbine ................................................................................................. 49
II.2.1. Modèle des pales .............................................................................................. 49
II.2.2. Modèle du multiplicateur de vitesse ................................................................. 50
II.2.3. Modèle de l’arbre mécanique ........................................................................... 51

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II.2.4. Résultat de simulation et d’expérimentation du modèle de la turbine ............. 53
II.2.4.1. Résultats de simulation ............................................................................. 53
II.2.4.2. Emulateur de la turbine éolienne .............................................................. 56
II.2.4.3. Résultats expérimentaux .......................................................................... 57
II.3. Modèle de la MADA ................................................................................................ 58
II.3.1. Modèle général de la MADA ........................................................................... 58
II.3.2. Modèle de la MADA avec orientation du flux satorique ................................. 59
II.4. Modèle du convertisseur d’électronique de puissance ............................................. 61
II.5. Modèle du bus continu ............................................................................................. 62
II.6. Modèle du filtre coté réseau ..................................................................................... 62
II.7. Modèle du nœud de connexion ................................................................................ 64
II.8. Dispositif de commande du système éolien ............................................................. 65
II.8.1. La REM du dispositif de commande du système éolien .................................. 65
II.8.2. Stratégie de commande MPPT ......................................................................... 66
II.8.2.1. Calcul du couple de référence .................................................................. 66
II.8.2.2. Contrôle de la MADA .............................................................................. 68
II.8.2.3. Résultats de simulation de la stratégie de commande MPPT ................... 69
II.8.3. Stratégie de commande découplée des puissances active et réactive ............... 72
II.8.3.1. Organisation de la commande du système éolien .................................... 73
II.8.3.2. Contrôle du convertisseur coté MADA .................................................... 74
II.8.3.3. Contrôle du bus continu ........................................................................... 76
II.8.3.4. Control du convertisseur coté réseau ....................................................... 77
II.8.3.5. Résultats de simulation ............................................................................. 79
II.8.3.6. Résultats d’expérimentation ..................................................................... 81
II.9. Conclusion ................................................................................................................ 83
II.10. Références du chapitre II ...................................................................................... 84
Chapitre III. Application des convertisseurs multiniveaux pour la
commande d’un système éolien ........................................................................ 86
III.1. Introduction .......................................................................................................... 86
III.2. Modèle du système éolien avec des convertisseurs NPC à trois niveaux ............ 87
III.2.1. Modèle du convertisseur NPC à trois niveaux ................................................. 88
III.2.1.1. Structure et principe de fonctionnement .................................................. 88
III.2.1.2. Modèle instantané .................................................................................... 88
III.2.1.3. Modèle moyen du convertisseur NPC ...................................................... 91
III.2.1.4. Modèle vectoriel dans un repère orthogonal ............................................ 93
III.2.2. Modèle du bus continu ..................................................................................... 97
III.3. Dispositif de commande du système éolien ......................................................... 98
III.3.1. Organisation générale de la commande ........................................................... 98
III.3.2. Architecture de la commande du convertisseur ............................................. 100
III.3.3. Commande vectorielle directe du courant basée sur l’Hystérésis à Zones
Carrées (HZCA) ............................................................................................................. 101
III.3.3.1. Principe de la commande ....................................................................... 101
III.3.3.2. Détection de la zone ............................................................................... 103
III.3.3.3. Détection du secteur ............................................................................... 103
III.3.3.4. Sélection du vecteur de tension .............................................................. 104
III.3.3.5. Equilibrage du diviseur capacitif ............................................................ 106
III.3.3.6. Résultats de simulation de la commande du système éolien par l’HZCA ...
.. .............................................................................................................. 110