2. Filtrage actif des harmoniques par une éolienne a
base d’une machine asynchrone a double
alimentation
Encadré par :
Mr. Y. DJERIRI
Malki Redha
Présentée par :
Université Djillali Liabès de Sidi-Bel-Abbès
Faculté de Génie Electrique
Département d’Electrotechnique
Mémoire de Master
Option : Contrôle et Supervision des Processus Automatises
Intitulé du mémoire:
Nechem Rabah
3. Plan de Travail
1ère PARTIE :Rappel sur les systèmes éoliens
2ème PARTIE : Modélisation de la turbine éolienne
Introduction
3ème PARTIE : Modélisation de la MADA
Conclusion Générale
4ème PARTIE : Commande vectorielle de la MADA
5ème PARTIE : Filtrage actif dynamique par MADA
3
5. 80% de l’énergie produite
est obtenue à partir des
matières fossiles comme le
pétrole, le charbon et le gaz
naturel.
soleil
Hydraulique
Vent
5
CO2
Réchauffement climatique
Les accidents et les
radiations nucléaires .
Traitement des déchets
énergie propre
Non polluante
7. Wilaya : Adrar (Kabertène)
Surface : 30 Hectare
Nombre des éoliennes : 12
Puissance individuelle : 850kW
Capacité totale : 10.2MW
Technologie : Gamesa (Espagne)
Génératrices utilisées: MADA
Situation actuelle 7
Carte du vent
en Algérie
CDER
2015
m/s
432,419 MW
17.4 MW
8. 8
Les différents types d’éoliennes
a) Eoliennes à axe vertical
Eolienne de type Darrieus Eolienne de type Savonius
b)Eoliennes à axe horizontal Faible Rendement aérodynamique
Nécessite un Système de démarrage à
faible vitesse du vent
Espace occupé important
9. 9
Les différents types d’éoliennes
b)Eoliennes à axe horizontal
Éolienne à axe horizontal
Rendement aérodynamique élevé
Une puissance très importante
(jusqu’à 10MW)
10. 10
Les différents composants d’une éolienne
Les Pales
Tour
Génératrice
nacelle
Système de mesure de vent
Multiplicateur
11. 11
Technologies des systèmes éoliens
(1) Structure à vitesse fixe
Eolienne à vitesse fixe directement connectée au réseau
(2) Structure à vitesse variable
Eolienne à vitesse fixe
12. 12
Les éoliennes à vitesse variable
Eoliennes à vitesse variable à base d’une MAS
Eoliennes à vitesse variable a basé d’une MADA
Technologies des système éoliennes
14. 14
Modèle de la turbine éolienne :
Turbine Multiplicateur Générateur
Modélisation de la turbine éolienne
15. 15
Modèle cinétique (vitesse du vent )
100w
0.25
+
50wt
0.5sin
+
30wt
sin
+
10wt
1.25sin
-
5wt
1.5sin
+
3wt
1.75sin
-
wt
2sin
+
8.2
=
t
V
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
6
8
10
12
14
16
Temps (s)
Vitesse
du
vent
(m/s)
16. 16
Schéma bloc du modelé de la turbine :
Arbre mécanique
Multiplicateur
Turbine
Ωg
λ RΩt
v
1
2
ρπR3v2Cc
Ct
1
Js +fv
β
v
1/G
1/G
Ωg
Cg
Cem
Ωt
,
C
v
R
2
1
P
C
P p
3
2
v
p
t
Puissance aérodynamique :
Couple aérodynamique :
,
C
v
R
2
1
P
C c
2
3
t
t
t
17. Coefficient de puissance (Cp) :
1
035
.
0
08
.
0
1
1
:
avec
0068
.
0
21
exp
5
4
.
0
116
5
.
0
)
,
(
C
3
i
i
i
p
0 5 10 15 20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ratio de vitesse
Coefficient
de
puissance
Cp
Beta=0°
Beta=2°
Beta=5°
Beta=10°
Beta=15°
Beta=20°
Beta=25°
Coefficient du couple (Cc) :
p
c
C
C
v
R
t
Avec :
Cp-max = 0.48
λopt = 8.1
17
59
.
0
P
P
C
v
t
p
Limite de Betz
Modélisation de la turbine éolienne
18. L ’importance de la vitesse variable
18
0 500 1000 1500 2000
0
5
10
15
x 10
5
vitesse de rotation de génératrice (tr/min)
puissance
aéorodynamique
Pt
(W)
V= 11 m/s
V=10 m/s
V= 9 m/s
V= 8 m/s
V= 7 m/s
V= 6 m/s
V= 4 m/s
MPPT
-30% +30%
19. Contrôle MPPT de la turbine éolienne
2
3
c v
R
C
2
1
G
1
v
f
Js
1
G
1
v
R t
Ωg
Ωt
Ct Cg
λ
Cc
β
v
Cg*
+
-
Turbine Multiplicateur Arbre mécanique
R
v
opt
G PI
Ωg*
Ωt*
+
-
Ωg
Dispositif de
contrôle MPPT
Ωg
Contrôle MPPT avec asservissement de la vitesse
19
8.1
20. Résultats de simulation
0 1 2 3 4
0
100
200
300
Vitesse
mécanique
(rad/s)
Temps (s)
0 0.05 0.1
0
100
200
Référence
Réelle
0 1 2 3 4
0
5
10
15
x 10
5
Temps (s)
Puissance
aéorodynamique
Pt
(W)
0 1 2 3 4
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Temps (s)
Coefficient
de
puissance
Cp
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 1 2 3 4
0
2
4
6
8
10
12
Temps (s)
Ratio
de
vitesse
λopt = 8.1
Cp-max = 0.48
20
23.
r
s
r f
f
p
60
N
Vitesse
Hyposynchrone
r
s
r f
f
p
60
N
Vitesse
Hypersynchrone
Topologie de la MADA
Stator
Rotor
23
Système
Bagues-Balais
24. Modélisation de la MADA
Modèle de la MADA dans le repère triphasé
24
Tensions Statoriques Tensions rotoriques
sc
sb
sa
sc
sb
sa
s
sc
sb
sa
dt
d
i
i
i
R
v
v
v
rc
rb
ra
rc
rb
ra
r
rc
rb
ra
dt
d
i
i
i
R
v
v
v
Stator
Rotor
25. Modèle de la MADA dans le repère biphasé de Park
Axe d
A
S
B
S
a
R
s
a
b
R
r
s
sl
s
r
C
S
Axe q
s
sl
Composantes statoriques.
Composantes rotoriques.
Composantes de PARK.
25
sd
s
sq
sq
s
sq
sq
s
sd
sd
s
sd
dt
d
i
R
v
dt
d
i
R
v
rd
r
s
rq
rq
r
rq
rq
r
s
rd
rd
r
rd
dt
d
i
R
v
dt
d
i
R
v
sq
sd
sd
sq
s
sq
sq
sd
sd
s
i
v
i
v
2
3
Q
i
v
i
v
2
3
P
rq
sd
rd
sq
s
m
em i
i
L
L
p
2
3
C
Puissances statoriques :
Couple
électromagnétique :
Tensions statoriques : Tensions rotoriques :
26. αr
αs
βs
d
q
ϕsd = Ψs
Ψr
θsr
θs
θr
ωs
vsq =Vs
βr
Modèle simplifié de la MADA
s
sd
sq 0
0
Rs
s
s
s
sq
sd
V
v
0
v
rd
s
m
s
s
s
s
s
rq
s
m
s
s
i
L
L
V
L
V
Q
i
L
L
V
P
2
3
2
3
rq
s
s
m
em i
L
L
p
C
2
3
26
Tensions statoriques :
Puissances statoriques :
Couple électromagnétique
28. 28
Modélisation de l’onduleur
k1 k2 k3
D1 D3
CCM
D2
D4 D5 D6
●
icond
iond
UDC
k1’ k2’ k3’
ired
●
●
MADA o
E/2
E/2
+
-
CCR
A
B
C
c
b
a
DC
cn
bn
an
S
S
S
U
V
V
V
2
1
1
1
2
1
1
1
2
3
Modélisation du convertisseur coté rotor « CMM »
29. 29
Modélisation de l’onduleur
Commande par MLI-ST du CCM
Modulante
Porteuse
1
−1
wt
𝑈𝐷𝐶
2
−
𝑈𝐷𝐶
2
wt
r
p
f
f
m
P
r
V
V
r
1
)
(
1
)
(
t
S
non
si
t
S
V
V
si p
ref
Signal de commande de l’onduleur
30. 30
Résultats de Simulation
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
x 10
5
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W
)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
2
4
6
8
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(VAr)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-2000
-1000
0
1000
2000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
31. 31
Résultats de Simulation
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-8000
-6000
-4000
-2000
0
Temps (s)
C
ouple
Cem
(N
.m
)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
Facteur
de
puissance
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
(A)
Courant
rotorique
(A)
0,38 0,42 0,46 0,5 0,54 0,58 0,6
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Is
(A)
ZOOM
Pr =g.PS=0
Courant
rotorique
(A)
35. Résultats de simulation
Vitesse du vent fixe
35
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-15
-10
-5
0
x 10
5
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-6
-4
-2
0
2
4
6
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(VAr)
Qs*
Qs
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courants
rotoriques
Ird
et
Irq
(A)
Ird
Irq
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-3000
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
Temps (s)
(e)
Courants
statoriques
Isd
et
Isq
(A)
Isd
Isq
36. 36
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
(c)
Courant
statorique
Is
(A
)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
(d)
Courant
rotorique
Ir
(A
)
Résultats de simulation
Courants statoriques
Courants rotoriques
0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A
)
ZOOM
0.5 0.55 0.6 0.65
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A
)
ZOOM
g=0 Pr=0W
37. 37
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
Temps (s)
(g)
Couple
électromagnétique
Cem
(N.m)
Résultats de simulation
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
(h)
Facteur
de
puissance
38. 38
Résultats de simulation
Vitesse du vent variable
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
x 10
5
Temps (s)
(a)
puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-4
-2
0
2
4
6
x 10
4
Temps (s)
(b)
puissance
réctives
(V
Ar)
Qs*
Qs
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-3000
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
Temps (s)
(e)
courants
statoriques
Isq
et
Isd
(A)
Isd
Isq
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Temps (s)
(f)
Courants
rotoriques
Ird
et
Irq
(A)
Ird
Irq
39. 39
Résultats de simulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps
Courant
statorique
Is
(A)
1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps
Courant
statorique
Is
(A)
ZOOM
40. 0 0.5 1 1.5
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courants
rotorique
Ir
(A)
ZOOM
40
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Courants
rotorique
Ir
(A)
Résultats de simulation
41. 41
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
Temps (s)
(g)
Couple
électromagétique
Cem
(N.m)
Résultats de simulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
(h)
Facteur
de
puissance
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0.98
0.985
0.99
0.995
1
1.005
1.01
42. Intégration d’un système de stockage 42
stock
réseau
MADA
s P
P
P
1.5MW 750kW 750kW
CCM CCR
Filtre
AC
DC
Bus
Réseau
Transformateur
Turbine éolienne
Vent
BDV
Vitesse du
vent
β
Ωg
MADA
P, Q stator
P, Q rotor
DPC
Qs
*
MPPT
Ps
*
Sj
Ωg
Unité de
stockage
CVI
43. 43
Résultats de simulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-15
-10
-5
0
x 10
5
Temps (s)
(a)
Ps
au
stator
d
e
la
M
A
D
A
(W
)
Ps*
Ps-MADA
-
7.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
6
Temps (s)
Puissance
stockée
(W
)
Charge
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-10
-9
-8
-7
-6
-5
x 10
5
Temps (s)
(d)
Puissance
fournie
au
réseau
(W
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
6
8
10
12
14
16
Temps (s)
Vitesse
du
vent
(m/s)
44. 44
Résultats de simulation
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
5
Temps (s)
(b)
Puissance
réactive
Q
s
(V
A
R)
Qs*
Qs
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
500
1000
1500
Temps (s)
(f)
Tension
continue
U
dc
(V)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
(e)
Facteur
de
puissance
47. 47
Solutions pour la compensation des harmoniques
La première consiste à réduire l'impédance de court-circuit
La seconde porte sur la modification du convertisseur polluant
La troisième solution utilise des filtres passifs
Quatrième solution consiste à mettre en œuvre un filtrage actif
49. 49
Détermination des courants harmoniques
sq
m
s
rq
sd
m
s
s
s
rd
I
L
L
I
I
L
L
L
I
harmonique
rq
rq
total
rq
harmonique
rd
rd
total
rd
I
I
I
I
I
I
_
_
harmonique
sq
m
s
harmonique
rq
harmonique
sd
m
s
s
s
harmonique
rd
I
L
L
I
I
L
L
L
I
_
_
_
_
La relation entre les courants harmoniques Is et Ir
50. 50
Détermination des courants harmoniques
I
s
Î
Iˆ
harmonique
_
sd
I
harmonique
_
sq
I
.
a
I
a
I
b
I
c
I
Filtre
sélectif
Transformation
abc / αβ
Transformation
αβ / dq
51. 51
Résultats de simulation
Avec un pont redresseur comme charge polluante
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
Temps (s)
(c)
Courant
harmonique
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
(a)
Courant
réseau
filtré
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
Temps (s)
(b)
Courant
mada
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
(d)
Courant
de
redresseur
(A)
Courant redresseur
Courant harmonique
Courant MADA
Courant réseau filtré
52. 52
Résultats de simulation
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
5
Temps (s)
(e)
Puissance
réactive
(V
A
r)
Qs*
Qs
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
(f)
Facteur
de
puissance
53. 53
Résultats de simulation
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-2000
0
2000
Selected signal: 5 cycles. FFTwindow (in red): 1 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 2599 , THD= 14.34%
Mag
(%
of
Fundamental)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-2000
0
2000
Selectedsignal: 5cycles. FFTwindow(inred): 1cycles
Time(s)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
20
40
60
80
100
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz)= 2523, THD= 2.02%
Mag
(%
of
Fundamental)
Avant filtrage Après filtrage
54. 54
Résultats de simulation
Avec des charges polluantes identifiées
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
Temps (s)
Courant
de
charge
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
Temps (s)
Courant
de
la
MADA
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
Temps (s)
Courant
harmonique
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (A)
Courant
réseau
filtré
(A)
Courant de charge
Courant harmonique
Courant MADA
Courant réseau filtré
55. 55
Résultats de simulation
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
5
Temps (s)
(e)
Puissance
réactive
(V
A
r)
Qs*
Qs
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
Facteur
de
puissance
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0.9998
0.9999
1
1.0001
56. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-2000
0
2000
Selected signal: 5 cycles. FFTwindow (in red): 1 cycles
Time (s)
0 5 10 15 20
0
20
40
60
80
100
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 2503 , THD= 30.71%
Mag
(%
of
Fundamental)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-2000
0
2000
Selected signal: 5 cycles. FFTwindow (in red): 1 cycles
Time (s)
0 5 10 15 20
0
20
40
60
80
100
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 2523 , THD= 2.00%
Mag
(%
of
Fundamental)
56
Résultats de simulation
Avant filtrage
Après filtrage
H5
H7
H11
H17
58. 58
Les résultats de simulation montrent :
Le découplage puissance : active – réactive
L’amélioration de la qualité de l’énergie fournit au réseau
Le contrôle à vitesse du vent variable (contrôle à MPPT)
Le travaille présenté dans ce projet concernent, d’une façon générale l’application
d’un système de conversion d’énergie éolienne à vitesse variable basé sur une
MADA, a fin de réalisé un filtrage actif des harmoniques génères par des charges
non linéaire.
La nécessité d’un élément de stockage dans les systèmes éoliens
Le contrôle à facteur de puissance unitaire
59. Perspectives
Utiliser les techniques d’intelligence artificielle tel
que les réseaux de neurones pour l’identification
des harmoniques existant sur le réseau où est
intégrée la génératrice éolienne.
Pour les système de production basées sur des sources aléatoires il faut les associer avec des systèmes de stockage qui est connecte au niveau du bus continu
Notre éolienne 1.5MW de puissance, dont le but est de pouvoir fournir une puissance de l’ordre de 750kW au réseau, Cette puissance nous permet de dimensionner l’unité de stockage nécessaire. Nous choisissons ici notre éolienne de 1.5MW de puissance, dont le but est de pouvoir fournir une puissance de l’ordre de 750kW au réseau électrique (puissance maximale demandée). Cette puissance nous permet de dimensionner l’unité de stockage nécessaire