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1  sur  60
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
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
4
Introduction
(Problématiques & Solutions)
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
Rappel sur les systèmes
éoliens
PARTIE I
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
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
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
Les différents composants d’une éolienne
Les Pales
Tour
Génératrice
nacelle
Système de mesure de vent
Multiplicateur
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
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
Modélisation de la turbine
éolienne
PARTIE II
14
Modèle de la turbine éolienne :
Turbine Multiplicateur Générateur
Modélisation de la turbine éolienne
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
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 

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
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%
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
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
21
Modélisation de la MADA
PARTIE III
CCM CCR
Filtre
AC
DC
Bus
Réseau
Transformateur
Turbine éolienne
Vent
BDV
Pitch
Control
Vitesse du
vent
β
Ωg
MADA
P, Q stator
P, Q rotor
Contrôle
Côté rotor
Contrôle
Côté réseau
Système de conversion éolienne a vitesse variable basée sur
une MADA
Pr = g.Ps
30%
22
Hypersynchrone
Hyposynchrone
Large plage de variation de vitesse.
± 30%
 
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
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
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 :
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
s
s
m
L
V
gL
r
r L
s
R
1


irq
ird
s
s
m
L
V
L

s
s
2
s
L
V

+
-
-
+
+
vrq
+
+
vrd
r
r L
s
R
1


r
s L
g 

r
s L
g 

s
s
m
L
V
L

2
3
2
3
s
s
s
m
L
V
L
p


2
3
Ps
Qs
Cem
Schéma bloc du modèle simplifié de la MADA 27
Termes de
couplage
F.E.M de
compensation
F.E.M de
compensation
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
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
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
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)
Contrôle vectoriel de la
MADA
PARTIE III
33
Contrôle vectoriel directe(CVD)
Fq
Fd
Ps
Qs
Ps
*
Qs
*
Modèle de la
MADA
sans termes de
couplage
Onduleur
PI
PI
Ps
Qs
Vra
Vrb
Vrc
Vrq
*
Vrd
*
Commande vectoriel de la MADA
34
Contrôle vectoriel indirecte(CVI)
Vrd
*
Vrq
*
Ps
Ps
Qs
Modèle
de la
MADA
sans
termes de
couplage
Onduleur
Ird
*
Qs
Qs
*
PI p
Fd Ird
PI c
Cd
Ps
*
PI p
Irq
*
PI c
Cq
Fq
Irq
m
s
s
L
V
L
3
2

m
s
s
L
V
L
3
2

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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Filtrage actif dynamique par
MADA
PARTIE IV
46
Introduction
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
48
Principe de filtrage actif d’un réseau électrique à l’aide d’une
MADA
²
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
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
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
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
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
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
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
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
57
Conclusion
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
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.
Merci de votre
attention.

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  • 1.
  • 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
  • 6. Rappel sur les systèmes éoliens PARTIE I
  • 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
  • 13. Modélisation de la turbine éolienne PARTIE II
  • 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
  • 21. 21 Modélisation de la MADA PARTIE III
  • 22. CCM CCR Filtre AC DC Bus Réseau Transformateur Turbine éolienne Vent BDV Pitch Control Vitesse du vent β Ωg MADA P, Q stator P, Q rotor Contrôle Côté rotor Contrôle Côté réseau Système de conversion éolienne a vitesse variable basée sur une MADA Pr = g.Ps 30% 22 Hypersynchrone Hyposynchrone Large plage de variation de vitesse. ± 30%
  • 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
  • 27. s s m L V gL r r L s R 1   irq ird s s m L V L  s s 2 s L V  + - - + + vrq + + vrd r r L s R 1   r s L g   r s L g   s s m L V L  2 3 2 3 s s s m L V L p   2 3 Ps Qs Cem Schéma bloc du modèle simplifié de la MADA 27 Termes de couplage F.E.M de compensation F.E.M de compensation
  • 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)
  • 32. Contrôle vectoriel de la MADA PARTIE III
  • 33. 33 Contrôle vectoriel directe(CVD) Fq Fd Ps Qs Ps * Qs * Modèle de la MADA sans termes de couplage Onduleur PI PI Ps Qs Vra Vrb Vrc Vrq * Vrd * Commande vectoriel de la MADA
  • 34. 34 Contrôle vectoriel indirecte(CVI) Vrd * Vrq * Ps Ps Qs Modèle de la MADA sans termes de couplage Onduleur Ird * Qs Qs * PI p Fd Ird PI c Cd Ps * PI p Irq * PI c Cq Fq Irq m s s L V L 3 2  m s s L V L 3 2 
  • 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
  • 45. Filtrage actif dynamique par MADA PARTIE IV
  • 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
  • 48. 48 Principe de filtrage actif d’un réseau électrique à l’aide d’une MADA ²
  • 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.

Notes de l'éditeur

  1. 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