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1
Encadré par:
 Mr. Y.Djeriri
Présenté par
 Dehiba Imène
Master 2
Domaine : Sciences et Technologies
Filière : Électrotechnique
Option : Commande des systèmes électrique (CSE)
Modélisation et commande d’une chaîne de
conversion d’énergie éolienne à vitesse variable
2
RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITÉ DJILLALI LIABES DE SIDI BEL-ABBES
FACULTÉ DE TECHNOLOGIE
DÉPARTEMENT D’ÉLECTROTECHNIQUE
Présentation.ppt
4
I.Introduction
80% de l’énergie produite est
obtenue à partir des matières
fossiles comme le pétrole, le
charbon et le gaz naturel.
soleil
fission
géothermie
hydraulique
Biomasse
Vent
5
CO2
réchauffement climatique
Les accidents et les radiations
nucléaires .
Traitement des déchets
6
II. Généralités
7
1. Situation actuelle de l’énergie éolienne dans le monde
entier
30%
7,6 GW
369,553 GW
Carte de vent en Algérie
2.La situation de l’énergie éolienne en Algérie
8
(Source CDER)
m/s
Parc éolienne de kabertaine
9
1. Eolienne à axe vertical
Darrieus Savonius
3. LES DIFFERENTS TYPES D’EOLIENNES
2. Eolienne à axe horizontal
Faible Rendement
aérodynamique
Système de
démarrage à faible
vitesse du vent
Espace occupé
important
10
Rendement
aérodynamique élevé
une puissance très
importante (jusqu’à 10MW)
2. Eolienne à axe horizontal
4. LES DIFFERENTS TYPES D’EOLIENNES
11
5.Principaux composants d’une éolienne
nacelle tour
Les Pales
Multiplicateur
Génératrice
12
MAS type BRUSHLESS
reliée au réseau par
redresseur-onduleur.
MADA structure de
SCHERBIUS rotor relié
au réseau par
redresseur-onduleur MLI.
MS reliée au réseau par
un dispositif redresseur –
hacheur – onduleur MLI.
Multiplicateur
Énergie
Réseau
Énergie
MADA
Redresseur Onduleur
Multiplicateur MAS
Redresseur Onduleur
Énergie
Réseau
Énergie
Multiplicateur
Énergie
Réseau
Redresseur Onduleur
MS
7. Différentes configurations des systèmes éoliens
30% de Ps
100% de Ps
100% de Ps
13
6.Description de la chaîne de conversion éolienne
Energie
cinétique
Energie
mécanique
Energie électrique
Energie
mécanique
Energie électrique
transformation transformation
conversion conversion
Pr =g.Ps
14
III. Modélisation d’une chaîne de
conversion d’énergie éolienne à
base de la MADA
1. Définition de la MADA
ROTOR
Balai
Axe
Bague
15
Machine synchrone MADA
 s

r


r

s

sl


A
B
C
a
b
c
A
B
C
9. Analogie MADA / MSAP
MSAP MADA
Configuration des enroulements et des flux dans une MSAP et dans une MADA
 MSAP : r dépendant de la position mécanique de la machine.
 MADA : r entièrement contrôlable par l’alimentation du rotor.
16
10.Notions hypo et hyper-synchrone
Ou
Où
Comme une règle générale on peut dire que lorsqu'une machine à rotor bobiné est alimentée
par deux sources, elle doit tourner à une des deux vitesses suivantes :
Nr : vitesse du rotor [tr/min].
fs : fréquence appliquée au stator [Hz].
fr : fréquence appliquée au rotor [Hz].
p : nombre de paire de pôles du stator et du rotor.
 
r
s
r f
f
p
N 

60
 
r
s
r f
f
p
N 

60
17
Exemple : fs=50 Hz , fr =15 Hz et p=2
  min
/
1050
15
50
2
60
tr
Nr 

   min
/
2250
15
50
2
60
tr
Nr 


Vitesse hypo-synchrone Vitesse hyper-synchrone
11.Fonctionnement à quatre quadrants de la MADA
1 2
3 4
Fonctionnement moteur
hypo-synchrone
Fonctionnement moteur
hyper-synchrone
Fonctionnement générateur
hypo-synchrone
Fonctionnement générateur
hyper-synchrone
18
Pour une utilisation dans un système éolien, les quadrants 3 et 4 sont intéressants. Dans ce
cas le glissement g est donné par:
s
R
s
N
N
N
g


g>0 en fonctionnement hypo-synchrone
g<0 en fonctionnement hyper-synchrone
19
12.Modélisation de la turbine éolienne
1. Modèle cinétique (vitesse du vent )
2.Modélisation aérodynamique
v
P
t
P
2
2
1 V
V
Vmoy


 
2
2
2
2
1 V
V
m
Pt


2
3
1
V
S
Pv


2
1
1
2
2
1
2
1




































V
V
V
V
P
P
C
v
t
p
Limite de Betz
)
100
(
25
,
0
)
50
sin(
5
,
0
)
30
sin(
)
10
sin(
25
,
1
)
5
sin(
5
,
1
)
3
sin(
75
,
1
)
sin(
2
2
,
8
)
(
t
t
t
t
t
t
t
t
v















20
Cp_max =16/27=0.59
12.Modélisation de la turbine éolienne
Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes
21
  3
2
2
1
v
R
C
P p
t 



2
3
)
,
(
2
1
v
R
C
C m
t 




La puissance aérodynamique
3. Modèle mécanique
G
C
C t
g 
G
g
t



3
2
2
1
v
R
v
G
R
C
P
g
p
g 












)
(
)
(
t
f
C
C
dt
t
d
J g
v
em
g
g





Modèle du multiplicateur
puissance mécanique de la génératrice
Equation dynamique de l’arbre
12.Modélisation de la turbine éolienne
Couple de la turbine avant multiplicateur
22
Schéma bloc du modèle de la turbine
12.Modélisation de la turbine éolienne
23
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
5
10
15
temps (s)
vitesses
du
vent
(m/s)
 RESULTATS DE SIMULATION
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.6
Lamda
Coefficient
de
puissance
beta=0
beta=5
beta=10
beta=15
beta=20
12.Modélisation de la turbine éolienne
Puissance
aérodynamique de
la turbine
Couple
aérodynamique de
la turbine
Profile du vent
variable
Coefficient de
puissance Cp
p
C

Coefficient de puissance Puissance mécanique disponible sur l'arbre d'un
aérogénérateur
Objectifs de cette conversion (contrôle MPPT)
Cp maximal λoptimal
24
En vitesse fixe : le maximum
théorique n’est pas atteint
 En vitesse variable : La puissance maximale est
exploitée pour toutes les vitesses du vent (régulation de
λ optimal pour avoir Cp maximum).
25
MPPT Pitch contrôle

90


Objectifs de cette conversion (contrôle MPPT)
26
*
*
t
g G 



R
v
opt
t




*
14. contrôle MPPT avec asservissement de vitesse
contrôle MPPT avec asservissement de la vitesse de rotation .
*
em
em C
C 
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
1.5
2
x 10
6
Temps (s)
Puissance
mécanique
Pt
(w)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
50
100
150
200
250
300
350
Temps (s)
Vitesse
mécanique
(rad/s)
Référence
Réelle
0.034 0,042 0,05
191,6
192
192,4
27
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Temps (s)
Coefficient
de
puissance
Cp
0 0.25 0.5 0.75 1
x 10
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
2
4
6
8
10
Temps (s)
Lambda
0 0.25 0.5 0.75 1
x 10
-3
0
2
4
6
8
Résultats de simulation
ZONE2
ZONE3
Cp max=0.48
λopt=8.1
28
15. MODELISATION DE LA MADA
































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



a. MODELE DE LA MADA DANS LE REPERE TRIPHASEE
Stator
rotor
29
b. Modèle de la MADA dans le repère de Park













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








15. MODELISATION DE LA MADA
stator
rotor
30
c. Le modèle simplifié de la MADA
 s
sd 
 
2 0

sq







s
s
s
sq
sd
V
V
V


0









sd
s
s
sq
s
s
I
V
Q
I
V
P
2
3
2
3











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
)
(
2
3
rq
sd
s
m
e I
L
L
p
C 


15. MODELISATION DE LA MADA
 0
1 
s
R
Puissances statoriques
Couple électromagnétique
31
schéma bloc de la MADA
15. MODELISATION DE LA MADA
16.Modélisation de l’onduleur rotorique
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
2
1
1
1
2
1
1
1
2
3
U
V
V
V
32
33
0 0.005 0.01 0.015 0.02
-40
-20
0
20
40
Temps (s)
Porteuse
et
Modulante
(V)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-20
-10
0
10
20
Temps (s)
Tension
onduleur
(V)
Signal de
référence
Porteuse
Sortie de l’onduleur
p
m
V
V
V 
mod
m
p
f
f
m 
0
)
(
1
)
(




t
S
non
si
t
S
V
V
si p
ref
16.Modélisation de l’onduleur rotorique
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
x 10
5
Temps (s)
Puissance
active
(W)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
(VAR)
17. Résultats de Simulation
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1 000
1 200
1 400
1 600
1 800
2 000
2 200
Temps (s)
Vitesse
micanique
(tr/min)
34
35
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
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
statorique
(A)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Is
(A)
0.38 0.4 0.42 0.44 0.46
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
ZOOM
17. Résultats de Simulation
36
IV.Commande vectorielle de la MADA
37
schéma bloc de la MADA
Commande vectorielle de la MADA
1.Commande vectorielle directe
2.Commande vectorielle indirecte
38
18. Commande vectorielle de la MADA
1. COMMANDE DIRECTE
2. COMMANDE INDIRECTE
Vq
Vd
39
1.RESULTATS DE SIMULATION
a. Test de suivi de consigne
18. Commande vectorielle de la MADA
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
Temps (s)
Courant
statorique
Isd
et
Isq
(A)
Isd
Isq
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ird
et
Irq
(A)
Ird
Irq
40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
x 10
6
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
6
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(VAR)
Qs*
Qs
Commande vectorielle de la MADA
a.1 Commande vectorielle directe
 Résultats de simulation à vitesse fixe
41
0.3 0.35 0.4 0.45
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Courant
statorique
Is
(A)
Temps (s)
ZOOM
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A)
0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A)
ZOOM
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Courant
statorique
Is
(A)
Temps (s)
Commande vectorielle de la MADA
a.1 Commande vectorielle directe
 Résultats de simulation à vitesse fixe
Courants statoriques
Courants rotoriques
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ird
et
Irq
(A)
Irq
Ird
42
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
x 10
6
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Qs*
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
6
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(Var)
Qs*
Qs
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
Temps (s)
Courant
statorique
Isd
et
Isq
(A)
Isd
Isq
18. Commande vectorielle de la MADA
a.1 Commande vectorielle indirecte
 Résultats de simulation à vitesse fixe
43
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
0.3 0.35 0.4 0.45
-3 000
-2 000
-1 000
0
1 000
2 000
3 000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
ZOOM
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.8
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A)
ZOOM
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A)
Courants statoriques
Courants rotoriques
a.1 Commande vectorielle directe
 Résultats de simulation à vitesse fixe
Commande vectorielle de la MADA
44
0 1 2 3 4
-15
-10
-5
0
x 10
5
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps
0 1 2 3 4
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(VAr)
Qs*
Qs
0 1 2 3 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
satatorique
Is
(A)
0 1 2 3 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
(A)
0 1 2 3 4
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
Temps (s)
Couarnts
statoriques
Isd
et
Isq
(A)
Isd
Isq
0 1 2 3 4
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
Temps (s)
Courants
rotoriques
Ird
et
Irq
(A)
Ird
Irq
0 1 2 3 4
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
Temps (s)
Couple
électromagnétique
Cg
(N.m)
0 1 2 3 4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
Facteur
de
puissance
Commande vectorielle de la MADA
a.1 Commande vectorielle directe
 Résultats de simulation à vitesse variable (contrôle MPPT)
Qs*=0 var
FP=1
45
0 1 2 3 4
-15
-10
-5
0
x 10
5
Temps (s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps
0 1 2 3 4
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
(VAr)
Qs*
Qs
0 1 2 3 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
statorique
Is
(A)
0 1 2 3 4
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Temps (s)
Courant
rotorique
Ir
(A)
0 1 2 3 4
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
Temps (s)
Courants
statoriques
Isd
et
Isq
(A)
Isd
Isq
0 1 2 3 4
0
1000
2000
Temps (s)
Courants
rotoriques
Ird
et
Irq
(A)
Ird
Irq
0 1 2 3 4
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
Temps (s)
Couple
électromagnétique
Cg
(N.m)
0 1 2 3 4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Facteur
de
puissance
Temps (s)
Commande vectorielle de la MADA
a.1 Commande vectorielle indirecte
 Résultats de simulation à vitesse variable (contrôle MPPT)
FP=1
Qs*=0 var
46
1.Teste de robustesse
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
x10
6
Temps(s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps(2*Rr)
Ps(1*Rr)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x10
6
Temps(s)
Puissance
réactive
Qs
(VAR)
Qs*
Qs(2*Rr)
Qs(1*Rr)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
x10
6
Temps(s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps(0.9*Lm)
Ps(1*Lm)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x 10
6
Temps (s)
Puissance
réactive
Qs
(VAR)
Qs*
Qs (0.9*Lm)
Qs (1*Lm)
Commande vectorielle de la MADA
b.Teste de robustesse
Commande vectorielle directe
47
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
x10
6
Temps(s)
Puissance
active
(W)
Ps*
Ps(2*Rr)
Ps(1*Rr)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-6
-5
0
5
6
x 10
5
Temps (s)
Puissance
réactive
(VAR)
Qs*
Qs(2*Rr)
Qs(1*Rr)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
x10
6
Temps(s)
Puissance
active
Ps
(W)
Ps*
Ps(0.9*Lm)
Ps(1*Lm)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-1
-0.5
0
0.5
1
x10
6
Temps(s)
Puissance
réactive
Qs
(VAR)
Qs*
Qs(0.9*Lm)
Qs(1*Lm)
Commande vectorielle de la MADA
b. Teste de robustesse
Commande vectorielle indirecte
48
V.Conclusion
49
V. Conclusion
Notre étude nous a permis de réaliser une modélisation globale
de la chaine de conversion d’énergie éolienne à vitesse variable
basée sur une machine asynchrone double alimentation (MADA).
Deux types de commande vectorielle ont fait l’objet de cette étude
dans ce mémoire pour le contrôle indépendant de la puissance active
et réactive statoriques de la MADA : la commande directe et la
commande indirecte. A fin de valider et de tester le système de
conversion complet (turbine éolienne, convertisseur statique et
algorithmes de contrôle), une étude de simulation sous
l'environnement Matlab/Simulink a été effectuée.
50
D'après les résultats obtenus, nous pouvons confirmer que le
contrôle vectoriel indirect avec deux boucles en cascades à base des
régulateurs PI constitue une solution viable et attractive pour les
systèmes de génération à vitesse variable notamment dans les
systèmes éoliens.
V. Conclusion
51

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  • 1. 1
  • 2. Encadré par:  Mr. Y.Djeriri Présenté par  Dehiba Imène Master 2 Domaine : Sciences et Technologies Filière : Électrotechnique Option : Commande des systèmes électrique (CSE) Modélisation et commande d’une chaîne de conversion d’énergie éolienne à vitesse variable 2 RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ DJILLALI LIABES DE SIDI BEL-ABBES FACULTÉ DE TECHNOLOGIE DÉPARTEMENT D’ÉLECTROTECHNIQUE
  • 5. 80% de l’énergie produite est obtenue à partir des matières fossiles comme le pétrole, le charbon et le gaz naturel. soleil fission géothermie hydraulique Biomasse Vent 5 CO2 réchauffement climatique Les accidents et les radiations nucléaires . Traitement des déchets
  • 7. 7 1. Situation actuelle de l’énergie éolienne dans le monde entier 30% 7,6 GW 369,553 GW
  • 8. Carte de vent en Algérie 2.La situation de l’énergie éolienne en Algérie 8 (Source CDER) m/s Parc éolienne de kabertaine
  • 9. 9 1. Eolienne à axe vertical Darrieus Savonius 3. LES DIFFERENTS TYPES D’EOLIENNES 2. Eolienne à axe horizontal Faible Rendement aérodynamique Système de démarrage à faible vitesse du vent Espace occupé important
  • 10. 10 Rendement aérodynamique élevé une puissance très importante (jusqu’à 10MW) 2. Eolienne à axe horizontal 4. LES DIFFERENTS TYPES D’EOLIENNES
  • 11. 11 5.Principaux composants d’une éolienne nacelle tour Les Pales Multiplicateur Génératrice
  • 12. 12 MAS type BRUSHLESS reliée au réseau par redresseur-onduleur. MADA structure de SCHERBIUS rotor relié au réseau par redresseur-onduleur MLI. MS reliée au réseau par un dispositif redresseur – hacheur – onduleur MLI. Multiplicateur Énergie Réseau Énergie MADA Redresseur Onduleur Multiplicateur MAS Redresseur Onduleur Énergie Réseau Énergie Multiplicateur Énergie Réseau Redresseur Onduleur MS 7. Différentes configurations des systèmes éoliens 30% de Ps 100% de Ps 100% de Ps
  • 13. 13 6.Description de la chaîne de conversion éolienne Energie cinétique Energie mécanique Energie électrique Energie mécanique Energie électrique transformation transformation conversion conversion Pr =g.Ps
  • 14. 14 III. Modélisation d’une chaîne de conversion d’énergie éolienne à base de la MADA
  • 15. 1. Définition de la MADA ROTOR Balai Axe Bague 15
  • 16. Machine synchrone MADA  s  r   r  s  sl   A B C a b c A B C 9. Analogie MADA / MSAP MSAP MADA Configuration des enroulements et des flux dans une MSAP et dans une MADA  MSAP : r dépendant de la position mécanique de la machine.  MADA : r entièrement contrôlable par l’alimentation du rotor. 16
  • 17. 10.Notions hypo et hyper-synchrone Ou Où Comme une règle générale on peut dire que lorsqu'une machine à rotor bobiné est alimentée par deux sources, elle doit tourner à une des deux vitesses suivantes : Nr : vitesse du rotor [tr/min]. fs : fréquence appliquée au stator [Hz]. fr : fréquence appliquée au rotor [Hz]. p : nombre de paire de pôles du stator et du rotor.   r s r f f p N   60   r s r f f p N   60 17 Exemple : fs=50 Hz , fr =15 Hz et p=2   min / 1050 15 50 2 60 tr Nr      min / 2250 15 50 2 60 tr Nr    Vitesse hypo-synchrone Vitesse hyper-synchrone
  • 18. 11.Fonctionnement à quatre quadrants de la MADA 1 2 3 4 Fonctionnement moteur hypo-synchrone Fonctionnement moteur hyper-synchrone Fonctionnement générateur hypo-synchrone Fonctionnement générateur hyper-synchrone 18 Pour une utilisation dans un système éolien, les quadrants 3 et 4 sont intéressants. Dans ce cas le glissement g est donné par: s R s N N N g   g>0 en fonctionnement hypo-synchrone g<0 en fonctionnement hyper-synchrone
  • 19. 19 12.Modélisation de la turbine éolienne 1. Modèle cinétique (vitesse du vent ) 2.Modélisation aérodynamique v P t P 2 2 1 V V Vmoy     2 2 2 2 1 V V m Pt   2 3 1 V S Pv   2 1 1 2 2 1 2 1                                     V V V V P P C v t p Limite de Betz ) 100 ( 25 , 0 ) 50 sin( 5 , 0 ) 30 sin( ) 10 sin( 25 , 1 ) 5 sin( 5 , 1 ) 3 sin( 75 , 1 ) sin( 2 2 , 8 ) ( t t t t t t t t v               
  • 20. 20 Cp_max =16/27=0.59 12.Modélisation de la turbine éolienne Coefficient de puissance pour différents types d'éoliennes
  • 21. 21   3 2 2 1 v R C P p t     2 3 ) , ( 2 1 v R C C m t      La puissance aérodynamique 3. Modèle mécanique G C C t g  G g t    3 2 2 1 v R v G R C P g p g              ) ( ) ( t f C C dt t d J g v em g g      Modèle du multiplicateur puissance mécanique de la génératrice Equation dynamique de l’arbre 12.Modélisation de la turbine éolienne Couple de la turbine avant multiplicateur
  • 22. 22 Schéma bloc du modèle de la turbine 12.Modélisation de la turbine éolienne
  • 23. 23 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 10 15 temps (s) vitesses du vent (m/s)  RESULTATS DE SIMULATION 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 Lamda Coefficient de puissance beta=0 beta=5 beta=10 beta=15 beta=20 12.Modélisation de la turbine éolienne Puissance aérodynamique de la turbine Couple aérodynamique de la turbine Profile du vent variable Coefficient de puissance Cp
  • 24. p C  Coefficient de puissance Puissance mécanique disponible sur l'arbre d'un aérogénérateur Objectifs de cette conversion (contrôle MPPT) Cp maximal λoptimal 24 En vitesse fixe : le maximum théorique n’est pas atteint  En vitesse variable : La puissance maximale est exploitée pour toutes les vitesses du vent (régulation de λ optimal pour avoir Cp maximum).
  • 25. 25 MPPT Pitch contrôle  90   Objectifs de cette conversion (contrôle MPPT)
  • 26. 26 * * t g G     R v opt t     * 14. contrôle MPPT avec asservissement de vitesse contrôle MPPT avec asservissement de la vitesse de rotation . * em em C C 
  • 27. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 x 10 6 Temps (s) Puissance mécanique Pt (w) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 50 100 150 200 250 300 350 Temps (s) Vitesse mécanique (rad/s) Référence Réelle 0.034 0,042 0,05 191,6 192 192,4 27 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Temps (s) Coefficient de puissance Cp 0 0.25 0.5 0.75 1 x 10 -3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 2 4 6 8 10 Temps (s) Lambda 0 0.25 0.5 0.75 1 x 10 -3 0 2 4 6 8 Résultats de simulation ZONE2 ZONE3 Cp max=0.48 λopt=8.1
  • 28. 28 15. MODELISATION DE LA MADA                                 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    a. MODELE DE LA MADA DANS LE REPERE TRIPHASEE Stator rotor
  • 29. 29 b. Modèle de la MADA dans le repère de Park              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         15. MODELISATION DE LA MADA stator rotor
  • 30. 30 c. Le modèle simplifié de la MADA  s sd    2 0  sq        s s s sq sd V V V   0          sd s s sq s s I V Q I V P 2 3 2 3            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 ) ( 2 3 rq sd s m e I L L p C    15. MODELISATION DE LA MADA  0 1  s R Puissances statoriques Couple électromagnétique
  • 31. 31 schéma bloc de la MADA 15. MODELISATION DE LA MADA
  • 32. 16.Modélisation de l’onduleur rotorique 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 2 1 1 1 2 1 1 1 2 3 U V V V 32
  • 33. 33 0 0.005 0.01 0.015 0.02 -40 -20 0 20 40 Temps (s) Porteuse et Modulante (V) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 -20 -10 0 10 20 Temps (s) Tension onduleur (V) Signal de référence Porteuse Sortie de l’onduleur p m V V V  mod m p f f m  0 ) ( 1 ) (     t S non si t S V V si p ref 16.Modélisation de l’onduleur rotorique
  • 34. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 x 10 5 Temps (s) Puissance active (W) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10 5 Temps (s) Puissance réactive (VAR) 17. Résultats de Simulation 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 Temps (s) Vitesse micanique (tr/min) 34
  • 35. 35 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 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant statorique (A) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Is (A) 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant statorique Is (A) ZOOM 17. Résultats de Simulation
  • 37. 37 schéma bloc de la MADA Commande vectorielle de la MADA 1.Commande vectorielle directe 2.Commande vectorielle indirecte
  • 38. 38 18. Commande vectorielle de la MADA 1. COMMANDE DIRECTE 2. COMMANDE INDIRECTE Vq Vd
  • 39. 39 1.RESULTATS DE SIMULATION a. Test de suivi de consigne 18. Commande vectorielle de la MADA
  • 40. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3000 -2000 -1000 0 1000 Temps (s) Courant statorique Isd et Isq (A) Isd Isq 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Ird et Irq (A) Ird Irq 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 x 10 6 Temps (s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 6 Temps (s) Puissance réactive Qs (VAR) Qs* Qs Commande vectorielle de la MADA a.1 Commande vectorielle directe  Résultats de simulation à vitesse fixe
  • 41. 41 0.3 0.35 0.4 0.45 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Courant statorique Is (A) Temps (s) ZOOM 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant rotorique Ir (A) 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant rotorique Ir (A) ZOOM 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Courant statorique Is (A) Temps (s) Commande vectorielle de la MADA a.1 Commande vectorielle directe  Résultats de simulation à vitesse fixe Courants statoriques Courants rotoriques
  • 42. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Ird et Irq (A) Irq Ird 42 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 x 10 6 Temps (s) Puissance active Ps (W) Ps* Qs* 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 6 Temps (s) Puissance réactive Qs (Var) Qs* Qs 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3000 -2000 -1000 0 1000 Temps (s) Courant statorique Isd et Isq (A) Isd Isq 18. Commande vectorielle de la MADA a.1 Commande vectorielle indirecte  Résultats de simulation à vitesse fixe
  • 43. 43 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant statorique Is (A) 0.3 0.35 0.4 0.45 -3 000 -2 000 -1 000 0 1 000 2 000 3 000 Temps (s) Courant statorique Is (A) ZOOM 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.8 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Ir (A) ZOOM 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Ir (A) Courants statoriques Courants rotoriques a.1 Commande vectorielle directe  Résultats de simulation à vitesse fixe Commande vectorielle de la MADA
  • 44. 44 0 1 2 3 4 -15 -10 -5 0 x 10 5 Temps (s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps 0 1 2 3 4 -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 5 Temps (s) Puissance réactive Qs (VAr) Qs* Qs 0 1 2 3 4 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant satatorique Is (A) 0 1 2 3 4 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique (A) 0 1 2 3 4 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 Temps (s) Couarnts statoriques Isd et Isq (A) Isd Isq 0 1 2 3 4 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Temps (s) Courants rotoriques Ird et Irq (A) Ird Irq 0 1 2 3 4 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 Temps (s) Couple électromagnétique Cg (N.m) 0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Temps (s) Facteur de puissance Commande vectorielle de la MADA a.1 Commande vectorielle directe  Résultats de simulation à vitesse variable (contrôle MPPT) Qs*=0 var FP=1
  • 45. 45 0 1 2 3 4 -15 -10 -5 0 x 10 5 Temps (s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps 0 1 2 3 4 -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 5 Temps (s) Puissance réactive (VAr) Qs* Qs 0 1 2 3 4 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant statorique Is (A) 0 1 2 3 4 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 Temps (s) Courant rotorique Ir (A) 0 1 2 3 4 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 Temps (s) Courants statoriques Isd et Isq (A) Isd Isq 0 1 2 3 4 0 1000 2000 Temps (s) Courants rotoriques Ird et Irq (A) Ird Irq 0 1 2 3 4 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 Temps (s) Couple électromagnétique Cg (N.m) 0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Facteur de puissance Temps (s) Commande vectorielle de la MADA a.1 Commande vectorielle indirecte  Résultats de simulation à vitesse variable (contrôle MPPT) FP=1 Qs*=0 var
  • 46. 46 1.Teste de robustesse 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 x10 6 Temps(s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps(2*Rr) Ps(1*Rr) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 x10 6 Temps(s) Puissance réactive Qs (VAR) Qs* Qs(2*Rr) Qs(1*Rr) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 x10 6 Temps(s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps(0.9*Lm) Ps(1*Lm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 6 Temps (s) Puissance réactive Qs (VAR) Qs* Qs (0.9*Lm) Qs (1*Lm) Commande vectorielle de la MADA b.Teste de robustesse Commande vectorielle directe
  • 47. 47 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 x10 6 Temps(s) Puissance active (W) Ps* Ps(2*Rr) Ps(1*Rr) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -6 -5 0 5 6 x 10 5 Temps (s) Puissance réactive (VAR) Qs* Qs(2*Rr) Qs(1*Rr) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 x10 6 Temps(s) Puissance active Ps (W) Ps* Ps(0.9*Lm) Ps(1*Lm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 x10 6 Temps(s) Puissance réactive Qs (VAR) Qs* Qs(0.9*Lm) Qs(1*Lm) Commande vectorielle de la MADA b. Teste de robustesse Commande vectorielle indirecte
  • 49. 49 V. Conclusion Notre étude nous a permis de réaliser une modélisation globale de la chaine de conversion d’énergie éolienne à vitesse variable basée sur une machine asynchrone double alimentation (MADA). Deux types de commande vectorielle ont fait l’objet de cette étude dans ce mémoire pour le contrôle indépendant de la puissance active et réactive statoriques de la MADA : la commande directe et la commande indirecte. A fin de valider et de tester le système de conversion complet (turbine éolienne, convertisseur statique et algorithmes de contrôle), une étude de simulation sous l'environnement Matlab/Simulink a été effectuée.
  • 50. 50 D'après les résultats obtenus, nous pouvons confirmer que le contrôle vectoriel indirect avec deux boucles en cascades à base des régulateurs PI constitue une solution viable et attractive pour les systèmes de génération à vitesse variable notamment dans les systèmes éoliens. V. Conclusion
  • 51. 51