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CONTRIBUTION A LOPTIMISATION DUNSYSTEME DE CONVERSION EOLIEN
POUR UNE
UNITE DE PRODUCTION ISOLEEMiguel Lopez
To cite this version:Miguel Lopez. CONTRIBUTION A LOPTIMISATION
DUN SYSTEME DE CONVERSIONEOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION
ISOLEE. Energie lectrique. Universit ParisSud - Paris XI, 2008.
Franais.
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THSE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale Sciences et Technologies de lInformation des
Tlcommunications et des Systmes
Prsente par :
Miguel LOPEZ
Sujet :
CONTRIBUTION A L'OPTIMISATION D'UN SYSTEME DE CONVERSION
EOLIEN POUR UNE UNITE DE PRODUCTION ISOLEE
-
i
Sommaire
Introduction
.....................................................................................................................
1
1 Systmes de Conversion Eoliens
..............................................................................
5
1.1 Introduction
...........................................................................................................
5
1.1.1 Bilan Energtique Mondial
...........................................................................
6
1.1.1.1 Les Utilisations de lEnergie Primaire
...................................................... 6
1.1.1.2 La Production dElectricit
.......................................................................
6
1.1.1.3 Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire
............................................................ 8
1.1.1.4 lIndustrie
..................................................................................................
8
1.1.1.5 Le Transport
..............................................................................................
9
1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energtique
.......................................................... 9
1.1.2 Energie et Environnement
.............................................................................
9
1.1.2.1 Limpact de la Consommation dEnergie sur lEnvironnement
............. 10
1.1.3 Gnration Distribue de lElectricit
..................................................... 11
1.1.4 Les Energies Renouvelables
........................................................................
12
1.1.4.1 Hydraulique
.............................................................................................
14
1.1.4.2 Photovoltaque
.........................................................................................
15
1.1.4.3 lEolien
....................................................................................................
15
1.1.4.4 Environnement et Cot des Energies Renouvelables
.............................. 16
1.2 Classement des Turbines Eoliennes
....................................................................
18
1.2.1 Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT)
.......................................... 18
1.2.2 Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT)
.............................................. 20
1.3 Boite de Vitesses
.................................................................................................
21
1.4 Gnrateurs
..........................................................................................................
22
1.4.1 Gnrateur Asynchrone (IG)
.......................................................................
23
1.4.1.1 Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG)
................................ 23
1.4.1.2 Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG)
................................... 23
1.4.2 Gnrateur Synchrone (SG)
........................................................................
25
1.4.2.1 Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG)
.................................... 25
1.4.2.2 Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG)
......................... 26
1.4.3 Autres Gnrateurs
......................................................................................
26
1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes
..................... 27
1.5 Systmes de Stockage pour la production dlectricit
....................................... 30
1.5.1 Types de Stockage dEnergie
..................................................................
30
1.6 Applications des Turbines Eoliennes
..................................................................
31
1.6.1 Systmes de Puissance Isols et Emploi de lEnergie Eolienne
................. 31
1.6.1.1 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne
...................................... 33
1.6.1.2 Systmes Hybrides Wind-Diesel
.............................................................
36
-
ii
1.6.1.3 Evolution de lolien dans les sites isols
............................................... 37
1.6.1.4 Systmes et Exprience
...........................................................................
39
1.6.1.5 Exprience sur les Systmes de Puissance Hybrides
.............................. 40
1.6.2 Systmes Eoliens Connects des Grands Rseaux
................................... 43
1.6.2.1 Systmes Distribus
................................................................................
43
1.6.2.2 Parcs Eoliens
...........................................................................................
44
1.7 Tendances
............................................................................................................
46
1.7.1 Systme Mcanique
.....................................................................................
46
1.7.2 Systme Electrique
......................................................................................
47
1.7.3 Intgration de lEnergie Eolienne et Nouvelles Applications
..................... 47
1.8 Conclusion
...........................................................................................................
48
2 Optimisation dun Systme de Conversion Eolien
............................................... 49
Nomenclature
..............................................................................................................
49
2.1 Introduction
.........................................................................................................
50
2.2 Systme de Gnration Eolien Sans Electronique de Commande
...................... 50
2.2.1 Modle du Systme
.....................................................................................
51
2.2.1.1 Systme Mcanique
.................................................................................
52
2.2.1.2 Systme Electrique
..................................................................................
54
2.2.1.3 Paramtres du Systme
............................................................................
59
2.3 Problme dOptimisation
....................................................................................
63
2.3.1 Contraintes
..................................................................................................
64
2.3.2 Rsultats de lOptimisation
.........................................................................
66
2.3.3 Slection dune paire (M, uS) unique
.......................................................... 71
2.4 Adaptation du Problme
dOptimisation.............................................................
72
2.4.1 Rsultats
......................................................................................................
76
2.5 Conclusion
...........................................................................................................
80
3 Commande du Systme de Conversion Eolien
..................................................... 81
3.1 Introduction
.........................................................................................................
81
3.2 Systmes de Gnration Eoliens Commands
.................................................... 83
3.2.1 Commande Arodynamique du Rotor
......................................................... 84
3.2.1.1 Commande de lAngle dAttaque de la Pale (Blade Pitch
Control) ....... 86
3.2.1.2 Rgulation Angle Fixe (Passive Stall Control)
.................................... 87
3.2.1.3 Commande Stall Active (Active Stall Control)
....................................... 88
3.2.1.4 Commande dOrientation
........................................................................
88
3.2.2 Commande du Systme Electrique
.............................................................
89
3.2.2.1 Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes
Pales
Ajustables
................................................................................................
90
3.2.2.2 Systmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes
Pales
Fixes
........................................................................................................
92
3.2.2.3 Structure de Puissance Propose
.............................................................
97
3.2.2.4 Stratgie de Commande Propose
........................................................... 99
3.2.2.5 Rsultats
................................................................................................
105
3.4 Conclusion
.........................................................................................................
112
-
iii
4 Mthode Analytique dEvaluation des Pertes dans les
Convertisseurs de
Puissance
......................................................................................................................
113
Nomenclature
............................................................................................................
113
4.1 Introduction
......................................................................................................
114
4.2 Mthode Propose
............................................................................................
115
4.2.1 Calcul des Pertes
...........................................................................................
116
4.2.1.1 Pertes par Conduction dans les Diodes
..................................................... 116
4.2.1.2 Pertes par Conduction dans les Transistors
............................................... 116
4.2.1.3 Pertes par Conduction dans le Redresseur
................................................ 117
4.2.1.4 Pertes par Conduction dans le Hacheur
..................................................... 119
4.2.1.5 Pertes par Conduction dans lOnduleur
.................................................... 121
4.2.2 Pertes par Commutation
................................................................................
123
4.2.2.1 Pertes par Commutation dans le Hacheur
................................................. 124
4.2.2.1 Pertes par Commutation dans lOnduleur
................................................. 124
4.3 Rsultats
...........................................................................................................
125
4.3.1 Pertes dans le Redresseur
..............................................................................
126
4.3.2 Pertes du Hacheur
..........................................................................................
129
4.3.2.1 Evaluation des Equations de Pertes de Conduction dans
une Paire
Transistor/Diode
....................................................................................................
129
4.3.2.2 Comparaison : un Convertisseur Buck-Boost et une
Combinaison
Cascade des Convertisseurs Boost et Buck
........................................................... 130
4.3.3 Pertes de lOnduleur
......................................................................................
136
4.4 Application : Evaluation des Pertes dun Systme Hybride
............................. 141
4.4.1 Description du Systme
.................................................................................
141
4.4.2 Procdure de Dimensionnement des Units
.................................................. 142
4.4.3 Evaluation des Pertes du Systme Hybride
................................................... 143
4.5 Conclusion
........................................................................................................
147
Conclusions et Perspectives
........................................................................................
149
Rfrences Bibliographiques
......................................................................................
153
Annexes
........................................................................................................................
157
-
Introduction
La croissance constante de la consommation dnergie sous toutes
ses formes et les
effets polluants associs, principalement causs par la combustion
des nergies fossiles,
sont au cur de la problmatique du dveloppement durable et du
soin de
lenvironnement dans une discussion pour lavenir de la
plante.
Le secteur de la gnration lectrique est le premier consommateur
dnergie primaire et
les deux tiers de ses sources sont des carburants fossiles. Il
est techniquement et
conomiquement capable de faire des efforts importants pour
rduire les atteintes de
lactivit humaine sur le climat et lenvironnement. Une des
possibilits est daccrotre
le taux de production dlectricit partir de ressources de type
non-fossiles et
renouvelables.
Dautre part, le processus de libralisation des marchs
lectriques, qui a dmarr il y a
quelques annes, permet le dveloppement dune offre nouvelle pour
la production
dlectricit. Certains producteurs de petite taille ne peuvent pas
tre raccords au
rseau de transport dlectricit, la connexion est alors faite
directement au rseau de
distribution. Ces comportements particuliers se sont
progressivement dvelopps et sont
maintenant dfinis sous le nom de Gnration Dcentralise. La
situation nouvelle cre
par ce type de gnration en a fait un des sujets les plus tudis
dans le domaine des
rseaux lectriques de puissance.
Ces constats indiquent que les technologies renouvelables
possdent des atouts majeurs
pour dvelopper leur participation la production dlectricit et
pour intervenir sur le
march de lnergie lectrique. Lhydrolectricit a dj plus dun sicle
de
dveloppement et son utilisation est mondialement rpandue.
Aujourdhui, les autres
-
2 Contribution lOptimisation d'un Systme de
sources de gnration renouvelables, notamment le solaire et
lolien, sont les nergies
dont le taux de croissance est le plus lev. Leur dveloppement au
niveau rsidentiel et
industriel est considrable, particulirement en Europe et aux
Etats-Unis. Les systmes
utilisant lnergie du vent reprsentent la technologie en plus
forte croissance. Parmi ces
technologies oliennes, de nombreux systmes, de diffrents types
ont t conus et
dvelopps tout en prolongeant une exprience dans ce domaine
remontant sur plusieurs
sicles.
De nos jours, la forme la plus connue et utilise de technologie
olienne est
larognrateur ; i.e. une machine qui obtient de lnergie partir du
vent pour gnrer
un courant lectrique. La taille de ces turbines oliennes
modernes va de quelques watts
jusqu plusieurs mgawatts. La majorit des systmes commerciaux
actuels sont des
turbines oliennes axe horizontal (HAWT) avec des rotors trois
pales (tripales). Les
turbines peuvent transfrer de lnergie lectrique un rseau de
puissance travers des
transformateurs, lignes de transport et sous-stations
associs.
Une grande partie du parc olien actuel est constitu de systmes
raccords au rseau
public. Pourtant, un des domaines o les technologies
renouvelables peuvent se
dvelopper de faon substantielle est celui de llectrification
rurale ou des sites isols.
Quand les mthodes conventionnelles de fourniture dnergie
lectrique comme
lextension du rseau et lutilisation de gnrateurs diesel
deviennent trop coteuses ou
difficiles implmenter, les technologies renouvelables, capables
de gnrer de
llectricit sur place, sont une possibilit trs intressante, tant
au niveau technique
quconomique.
Dautre part, les systmes oliens individuels (stand-alone) qui
fournissent de
llectricit des petites communauts sont de plus en plus nombreux.
En raison de la
caractristique intermittente du vent, des systmes hybrides avec
un support diesel,
photovoltaque et/ou avec un moyen de stockage de lnergie sont
populaires pour les
zones loignes. Dans la gamme des petites turbines oliennes, la
tendance est de
dvelopper des systmes commands de plus en plus efficaces,
utilisant des structures
-
Introduction 3
de conversion dcoupage lectronique pour largir la plage
exploitable de vitesses du
vent.
Dans ce contexte, lapport envisag avec ce travail de thse est de
collaborer la
conception optimale dun systme de production olien isol de
petite taille, pour les
sites o lexpansion du rseau est difficile ou trop coteuse.
Dans le chapitre 1 de ce manuscrit, un bilan sur les formes
dnergies les plus
consommes dans le monde est expos. Il est suivi de la
prsentation des problmes
environnementaux lis lutilisation de lnergie. Lvolution de
lindustrie lectrique
vers un march concurrentiel ouvert est prsente ainsi quun rsum
sur les
caractristiques conomiques et environnementales des formes
renouvelables dnergie.
Une prsentation gnrale de la technologie olienne actuelle est
faite en commenant
par une des classifications la plus couramment utilise. La
technologie utilisant les
boites de vitesses pour les turbines oliennes est aussi prsente.
Les diffrents types de
gnrateurs lectriques prsents dans les turbines oliennes sont
exposs. Les
applications, avec un segment ddi aux systmes isols sont aussi
proposes. Un
rsum sur les systmes de stockage est montr. Un sommaire des
dernires tendances
et perspectives de dveloppement de lolien est aussi prsent.
Dans le deuxime chapitre, une mthode doptimisation dun systme de
conversion de
lnergie olienne de faible taille tension fixe est prsente. Le
systme est compos
dlments disponibles commercialement : une petite turbine olienne
axe horizontal,
une boite dengrenages dun tage, un gnrateur synchrone aimants
permanents, un
pont de diodes et un groupe de batteries. Comme il ny a pas de
dispositifs commands,
la conception du systme doit tre soigneusement ralise pour
trouver la configuration
qui maximise autant son utilisation que la puissance dlivre. A
partir des quations
mcanique et lectrique dfinissant la puissance de lolienne, un
problme
doptimisation est donc propos. Ce problme est cibl sur la
combinaison optimale du
rapport de transformation de la boite mcanique et de la tension
de batterie pour
recueillir la plus grande quantit possible dnergie du systme de
conversion. La
puissance mcanique de lolienne est modlise en proposant une
nouvelle fonction
-
4 Contribution lOptimisation d'un Systme de
dapproximation du coefficient de puissance. Le problme
doptimisation avec
contraintes est rsolu avec un programme MATLAB spcialement
dvelopp pour
lapplication de gnration olienne.
Le chapitre 3 est consacr aux structures commandes de gnration
olienne pour leur
application dans un systme de puissance isol de petite taille.
Dans ce cas, la
commande permet de suivre le coefficient de puissance maximal de
la turbine olienne
par ajustement de la vitesse de rotation du gnrateur aimants
permanents. Cette
rgulation de vitesse est ralise par un convertisseur lectronique
de puissance
introduit dans la chaine de conversion. Ce convertisseur DC/DC
profite de la tension
presque constante aux bornes de la batterie pour modifier sa
tension dentre, de faon
modifier la tension aux bornes de la machine et ainsi commander
la vitesse de rotation
de son rotor. Une topologie de convertisseur lvateur abaisseur
est propose de faon
commander le systme sur toute la plage de vitesses de vent, en
suivant la puissance
maximale pour les vents faibles et en rgulant puissance nominale
pour les vents forts.
Le dernier chapitre prsente une amlioration du calcul des pertes
des convertisseurs
statiques de puissance pour une application un systme dnergie
hybride
renouvelable. Lobjectif est dvaluer les pertes nergtiques dans
le systme pour
contribuer aux procdures de dimensionnement des lments. Les
modles dvelopps
considrent les pertes de conduction et de commutation pour
prciser la variation du
rendement des convertisseurs avec les changements de la charge
et des sources de
production renouvelables. Cette approche est teste sur plusieurs
convertisseurs
lectroniques de puissance et dans un systme hybride pralablement
dimensionn. Pour
lapplication au systme hybride, la mthodologie propose est
compare sur une base
horaire avec une autre approche base sur un principe de
rendement constant en utilisant
un logiciel spcialement dvelopp. Limportance de lvaluation
correcte des pertes est
alors dmontre.
-
1 Systmes de Conversion Eoliens
1.1 Introduction
Le vent est une source dnergie renouvelable, conomique,
exploitable avec un bon
niveau de scurit et respectueuse de lenvironnement. Dans le
monde entier, les
ressources dnergie olienne sont pratiquement illimites. Les
rcents dveloppements
technologiques dans les domaines des turbines oliennes vitesse
variable, en
lectronique de puissance et en commande de machines lectriques
tendent rendre
lnergie olienne aussi comptitive que lnergie dorigine fossile
(Mathew, 2006;
Chen and Blaabjerg, 2006).
LAllemagne est aujourdhui le premier producteur dnergie partir
du vent, avec une
puissance installe de 16630 MW, et plus de 15000 turbines en
opration (Chen and
Blaabjerg, 2006; Hau, 2006). Elle est suivie par lEspagne avec
quelques 8260 MW.
Les Etats-Unis sont en troisime position avec 6740 MW de
puissance installe, suivis
par le Danemark avec 3120 MW et lInde avec 3000 MW installs.
LEurope concentre
pratiquement le reste de la production mondiale. Les Pays-Bas,
le Royaume-Uni et
lItalie progressent fortement en ce domaine. Dautres pays
envisagent de dvelopper
considrablement cette source dnergie : par exemple, la Chine et
lAustralie (Chen
and Blaabjerg, 2006).
Ce chapitre prsente un bilan des formes dnergies les plus
consommes au monde. Il
tablit la corrlation entre lutilisation de lnergie et les
problmes environnementaux
qui sensuivent. Les consquences de lvolution de lindustrie
lectrique vers un
march concurrentiel ouvert y sont abordes succinctement ainsi
que les caractristiques
-
6 Contribution lOptimisation dun Systme de
conomiques et environnementales des formes renouvelables
dnergie. La technologie
olienne actuelle y est prsente sous la forme dune classification
couramment
employe. Lintrt de mettre en uvre une boite de vitesses pour les
turbines oliennes
y est aussi dmontr. Les diffrents types de gnrateurs lectriques
prsents dans les
turbines oliennes y sont exposs. Les applications, avec un
segment ddi aux
systmes isols, y sont aussi prsentes. Les diffrents systmes de
stockage sont
recenss et les dernires tendances et perspectives de
dveloppement de lolien sont
voques.
1.1.1 Bilan Energtique Mondial
Face une demande en constante augmentation et une rpartition
ingale entre les
zones gographiques, les Etats se trouvent confronts des enjeux
majeurs : quilibrer
leur bilan nergtique, limiter leur dpendance vis--vis de zones
politiquement
instables, concilier besoins et respect de lenvironnement et,
enfin, prparer linvitable
puisement des ressources actuellement exploites en dveloppant
des nergies
alternatives (Mons, 2005).
1.1.1.1 Les Utilisations de lEnergie Primaire
Lnergie primaire rpond aux besoins de quatre grandes catgories
de
consommation : production dlectricit, usage domestique,
industrie et transports. Dans
le monde, le charbon demeure largement en tte comme source
primaire. La figure 1.1
montre la rpartition de la consommation de lnergie par secteur
dactivit.
1.1.1.2 La Production dElectricit
Actuellement, la plus grande part de la consommation nergtique
mondiale est ddie
la production dlectricit. Labondance des rserves de charbon
(dans certaines zones
gographiques) et leur faible cot dexploitation expliquent que le
charbon soit
conomiquement avantageux et arrive en tte dans les ressources
exploites pour la
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 7
production dlectricit. En revanche, limpact environnemental du
charbon est
nettement en sa dfaveur, mme avec les technologies les plus
rcentes, pourtant moins
polluantes. Ensuite vient le gaz naturel ; la turbine gaz cycle
combin est la
principale technologie de production dlectricit mise en service
dans le monde, en
particulier en Europe. A titre dexemple, en 2000, au
Royaume-Uni, 32% de llectricit
tait produite partir du gaz naturel, contre seulement 2% en 1990
(Mons, 2005).
Energie Primaire
Production d'lectricit (29 %)
Ptrole9%Gaz Naturel
19%
Uranium16%
Autres20%
Charbon36%
Residentiel et Tertiaire (26 %)
Autres34%
Electricit14%
Gaz Naturel19%
Ptrole19%
Charbon14%
Industrie (25 %)
Gaz Naturel18%
Electricit17%
Autres17%
Ptrole17%
Charbon31%
Transport (16 %)
Ptrole96%
Gaz4%
Figure 1.1. Les diffrents secteurs de consommation dnergie dans
le monde lheure
actuelle
Le nuclaire est le troisime mode de production dlectricit dans
le monde. Cest
dailleurs son seul usage, en dehors des applications militaires.
Cette technologie est
toutefois rserve aux pays les plus riches, en raison de la
complexit du processus et
des investissements ncessaires. La France est le pays qui
recourt le plus au nuclaire
pour produire de llectricit (environ 80% de la consommation
dnergie lectrique).
-
8 Contribution lOptimisation dun Systme de
Le ptrole est peu utilis pour la production dlectricit. Enfin,
les autres nergies sont
surtout reprsentes par les nergies renouvelables, hydrolectricit
en tte. Certains
pays, comme la Sude, produisent lessentiel de leur lectricit
grce aux barrages et
aux cours deau.
1.1.1.3 Le Secteur Rsidentiel et Tertiaire
Il arrive en seconde position dans la consommation dnergie
primaire. Il est important
de noter ici que llectricit est une forme dnergie secondaire,
cependant source
primaire dnergie pour les secteurs rsidentiel et tertiaire et
lindustrie
principalement. Dans ce secteur, le chauffage constitue le
premier usage et il convient
de rajouter la cuisine. Le fonctionnement des appareils mnagers
et informatiques et,
surtout, lclairage font appel llectricit. Les nergies fossiles
rpondent surtout au
premier usage, mme si quelques pays dont la France se servent de
llectricit pour
le chauffage. La biomasse est aussi largement utilise. La
population des pays en voie
de dveloppement recourt massivement au bois en tant que
combustible pour les usages
domestiques, ce qui nest pas sans poser de problmes de
dforestation (en Afrique
principalement).
1.1.1.4 lIndustrie
Ce secteur qui consomme 25% de lnergie dans le monde prsente le
bilan le plus
quilibr. Le charbon est, nanmoins, une nouvelle fois en tte.
Cette ressource est trs
largement utilise dans les rgions industrielles des pays
mergents, en particulier en
Chine et en Inde. Le ptrole intresse lindustrie pour produire
une partie de lnergie
ncessaire mais aussi en tant que matire premire des plastiques
et autres produits
drivs : environ 15% du ptrole consomm par lindustrie sert de
matire premire.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 9
1.1.1.5 Le Transport
Cest le quatrime grand secteur de consommation, il recourt quasi
exclusivement au
ptrole et ses drivs. Cette forte dpendance pose de nombreux
problmes lorsque les
cours du ptrole slvent. Les nergies alternatives llectricit et
le gaz nont pas
russi simposer dans lautomobile pour linstant.
1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energtique
En gnral, part quelques exceptions, aucun usage nest
exclusivement assur par une
source unique dnergie. Cest la raison pour laquelle on assiste
des modifications
sensibles de la contribution des diffrentes nergies au bilan
nergtique mondial. La
forte progression du gaz naturel, qui se substitue peu peu au
charbon dans la
production dlectricit, en est la principale illustration. Les
volutions sont toutefois
trs lentes car lnergie est une industrie de long terme. Dans le
cas de la production
dlectricit, les centrales ont une dure de vie de lordre de 30 40
ans, voire plus de
50 ans dans le cas des centrales nuclaires.
1.1.2 Energie et Environnement
La prservation de lenvironnement est un des principaux dfis que
doit relever
lindustrie nergtique. La consommation dnergie en croissance
rgulire est
lorigine dune pollution considrable. Lenjeu est donc de
concilier les besoins
nergtiques avec le respect de lenvironnement. Si la prise de
conscience semble
dsormais tre une ralit, les actions sont trs longues mettre en
place. Dautant que
la responsabilit est collective, car lutilisation rationnelle de
lnergie concerne aussi
bien les gouvernements, les producteurs que les
consommateurs.
-
10 Contribution lOptimisation dun Systme de
1.1.2.1 Limpact de la Consommation dEnergie sur
lEnvironnement
La combustion dnergie fossile est la premire activit humaine
responsable de
lmission de gaz effet de serre. Selon lAgence Internationale de
lEnergie, la
consommation humaine dnergie fossile a rejet 22639 millions de
tonnes de CO2 en
2000 (Mons, 2005).
Les Emissions Gazeuses
Les rejets de la combustion des carburants reprsentent les
trois-quarts des missions
humaines de dioxyde de carbone. La concentration de ce gaz dans
latmosphre
augmente rgulirement. Actuellement, ce taux est de 0.0365%
contre 0.028% au milieu
du XIXme sicle (+ 30%). Le deuxime gaz effet de serre est le
mthane (CH4), dont
la concentration a doubl sur la mme priode. Ses missions son
gnres par
lagriculture (levage et rizire), les activits nergtiques (fuites
de gaz et industrie
charbonnire) et les dchets mnagers (Mons, 2005).
Une polmique a longtemps oppos la communaut scientifique sur la
ralit du
rchauffement climatique et la responsabilit des activits
humaines. Le groupe
intergouvernemental dexperts sur lvolution du climat (GEIC ou
IPCC, de langlais
Intergovernmental Panel on Climate Change) affirme aujourdhui
que cet effet constat
depuis une cinquantaine dannes est bien attribuable aux activits
humaines.
Cette structure cre en 1988 par lOrganisation Mtorologique
Mondiale et le
Programme des Nations Unies pour lEnvironnement a constat que la
temprature
moyenne avait augment de 0.6C au cours du sicle prcdent (avec
une marge
derreur denviron 0.2C).
Le rchauffement nest toutefois pas uniforme puisquil a t constat
en deux phases :
de 1910 1945 et depuis 1976. Le phnomne tend dailleurs sacclrer
car la
dcennie 1990 semble tre la plus chaude depuis 1961 lanne 1998 en
tte. Les
principales consquences visibles sont la rduction de la
couverture neigeuse (-10%
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 11
depuis 40 ans), la fonte des glaciers et de la banquise et son
corollaire, la hausse du
niveau moyen des ocans (Mons, 2005).
Les Mares Noires
Amoco Cadiz, Exxon Valdez, Erika, reprsentent autant de noms
tristement clbres
pour avoir souill la mer et le littoral des ctes. Lhistoire de
lindustrie ptrolire est
jalonne de mares noires.
Les consquences de ces accidents sont dsastreuses pour la faune,
la flore et les
activits humaines (pche, ostriculture, tourisme, etc.).
Cependant, lattribution des
responsabilits est complexe, chacune des parties vitant de les
prendre. En matire de
nettoyage et dindemnisation, cest le plus souvent ltat du pays
victime de la pollution
qui assume lessentiel des charges. Toutefois, quelques progrs
sont raliss,
notamment pour acclrer la disparition des navires simple coque,
comme l'Erika.
Nanmoins, les mares noires ne sont quune petite partie des
rejets dhydrocarbures en
mer - de 2 6 % du total selon les estimations - lesquelles
reprsentent au total entre 2
et 6 millions de tonnes (Mons, 2005). La trs grande majorit des
rejets correspond aux
dgazages, en dautres termes au lavage des cuves des cargos et au
rejet des rsidus de
filtration du fioul lourd.
1.1.3 Gnration Distribue de lElectricit
Le systme de puissance traditionnel intgr verticalement
(gnration, transport et
distribution dnergie lectrique) est dans une tape initiale dun
processus qui pourrait
tre un changement rvolutionnaire (Masters, 2004). Lpoque des
centrales de plus en
plus grandes semble parvenue son terme. Les rseaux de transport
et de distribution
commencent souvrir des producteurs indpendants mettant en uvre
des centrales
plus petites, moins coteuses et plus efficaces. De nombreux pays
se sont engags dans
la voie de la rgulation des rseaux avec lobjectif dencourager la
concurrence entre
producteurs et permettre ainsi aux clients de choisir leur
fournisseur, avec toutefois un
succs dmontrer.
-
12 Contribution lOptimisation dun Systme de
Lindustrie lectrique semble ainsi effectuer un retour en arrire,
lorsque lessentiel de
lnergie lectrique tait gnre localement par de petits systmes
isols en vue de son
utilisation directe. Les anciens gnrateurs vapeur utiliss pour
fournir de la chaleur et
de llectricit ont trouv leurs quivalents modernes sous la forme
de micro-turbines,
piles combustible, moteurs combustion interne et petites
turbines gaz.
En plus de lintrt conomique, dautres arguments ont plaid en
faveur dune
transition vers les systmes dnergie dcentraliss petite chelle ;
il sagit notamment
des retombes sur lenvironnement, de la vulnrabilit des systmes
dnergie
centraliss en cas dattentat et de la fiabilit de llectricit.
1.1.4 Les Energies Renouvelables
Le dveloppement et lexploitation des nergies renouvelables ont
connu une forte
croissance ces dernires annes. Dici 20-30 ans, tout systme
nergtique durable sera
bas sur lutilisation rationnelle des sources traditionnelles et
sur un recours accru aux
nergies renouvelables. Naturellement dcentralises, il est
intressant de les mettre en
uvre sur les lieux de consommation en les transformant
directement, soit en chaleur,
soit en lectricit, selon les besoins. La production dlectricit
dcentralise partir
dnergies renouvelables offre une plus grande sret
dapprovisionnement des
consommateurs tout en respectant lenvironnement. Cependant, le
caractre alatoire
des sources impose des rgles particulires de dimensionnement et
dexploitation des
systmes de rcupration dnergie (Gergaud, 2002).
Une source dnergie est renouvelable si le fait den consommer ne
limite pas son
utilisation future. Cest le cas de lnergie du soleil, du vent,
des cours deau, de la terre,
de la biomasse humide ou sche, une chelle de temps compatible
avec lhistoire de
lhumanit. Ce nest pas le cas des combustibles fossiles et
nuclaires.
Lutilisation des nergies renouvelables nest pas nouvelle.
Celles-ci sont exploites par
lhomme depuis la nuit des temps. Autrefois, moulins eau, vent,
feu de bois, traction
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 13
animale, bateaux voile ont largement contribu au dveloppement de
lhumanit. Elles
constituaient une activit conomique part entire, notamment en
milieu rural o elles
taient aussi importantes et aussi diversifies que la production
alimentaire. Mais dans
les pays industrialiss, ds le XIXme sicle, elles furent
progressivement marginalises
aux profits dautres sources dnergie que lon pensait plus
prometteuses. Depuis lors,
la pollution atmosphrique, le rchauffement climatique, les
risques du nuclaire et les
limites des ressources ont fait prendre conscience quun
dveloppement conomique
respectueux de lenvironnement, dans lequel nous vivons, est
ncessaire.
Les chocs ptroliers successifs observs depuis les annes 70 ont
dmontr les risques
conomiques et gopolitiques de la production dnergie reposant sur
lexploitation des
ressources fossiles, dont les rserves sont mal rparties et
puisables.
De plus, une grande partie du monde ne sera sans doute jamais
raccorde aux rseaux
lectriques dont lextension savre trop coteuse pour les
territoires isols, peu peupls
ou difficiles daccs. Mme au sein de lEurope occidentale de tels
sites isols ne
sont pas exceptionnels. Actuellement deux milliards et demi
dhabitants, principalement
dans les zones rurales des pays en dveloppement, ne consomment
que 1 % de
llectricit produite dans le monde.
Les nergies renouvelables constituent donc une alternative aux
nergies fossiles
plusieurs titres : elles perturbent gnralement moins
lenvironnement, nmettent pas
de gaz effet de serre et ne produisent pas de dchets ; elles
sont inpuisables ; elles
autorisent une production dcentralise adapte la fois aux
ressources et aux besoins
locaux ; elles offrent une importante indpendance nergtique.
Parmi les nergies renouvelables, trois grandes familles mergent
: lnergie dorigine et
finalit mcanique ( partir du vent, des mouvements de leau),
lnergie finalit
lectrique ( partir de panneaux photovoltaques, doliennes, de
barrages
hydrauliques) et lnergie dorigine et finalit thermique
(gothermie, solaire
thermique). La plupart de ces formes dnergie proviennent du
soleil, quelques
exceptions prs (mares, gothermie). Etant donn que lnergie sous
forme
-
14 Contribution lOptimisation dun Systme de
mcanique est trs difficilement transportable, elle nest
utilisable que localement
(pompage direct de leau, moulins). Cest pourquoi, pour
lessentiel, elle est
transforme en nergie lectrique. A lexception de la biomasse et
de lhydraulique, un
inconvnient majeur des nergies renouvelables provient de la
non-rgularit des
ressources. De plus, les fluctuations saisonnires et journalires
de la demande en
puissance ne sont pas forcment synchronises avec les ressources.
Par exemple, en
hiver, le besoin nergtique est plus important pour le chauffage
et lclairage alors que
les journes densoleillement sont plus courtes. La
diversification des sources permet
statistiquement de limiter ces inconvnients. Il peut sagir
notamment de coupler des
panneaux photovoltaques avec une olienne (Mirecki, 2005). Le
stockage de lnergie
lectrique supprime ces inconvnients lorsque la technologie le
permet.
Les formes dnergie renouvelables finalit lectrique qui sont
actuellement les plus
exploites tout en respectant au mieux lenvironnement sont
lhydraulique, le solaire
photovoltaque et lolien. Ces trois formes dnergie sont prcises
dans ce qui suit.
1.1.4.1 Hydraulique
Leau, comme lair, est en perptuel mouvement. Par rapport lair,
sa densit plus
importante en fait un excellent vecteur dnergie. Les barrages
sur les rivires ont une
capacit importante pour les pays riches en cours deau qui
bnficient ainsi dune
source dnergie propre et stockable . Cette ressource reprsentait
en 1998 environ
20% de la production mondiale de lnergie lectrique (Mirecki,
2005). Certains pays
dont la France sont dj saturs en sites hydrolectriques
exploitables et ne
peuvent pratiquement plus progresser de manire importante dans
ce domaine. Les sites
de faible puissance (infrieure 10kW) sont bien adapts aux petits
rseaux isols. En
1999, lEurope comptait environ 10000 MW de puissance hydraulique
installe. A
lhorizon 2100, cette puissance pourrait passer 13000 MW.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 15
1.1.4.2 Photovoltaque
Lnergie photovoltaque est obtenue directement partir du
rayonnement solaire. Les
panneaux photovoltaques, composs de cellules photovoltaques base
de silicium, ont
la capacit de transformer lnergie photonique en nergie
lectrique. Le courant
continu ainsi produit est directement utilisable. La fabrication
des panneaux solaires est
actuellement coteuse bien que la matire premire (silice) soit
abondante et peu
onreuse. Cela sexplique par une nergie significative ncessaire
la production des
cellules. De rels progrs ont toutefois t raliss. lheure
actuelle, il faut quand
mme 5 8 ans pour quun panneau produise lnergie que sa
construction a utilise.
Un autre inconvnient est celui de la pollution la production qui
est due la
technologie employe. Des avances technologiques sont en cours de
ralisation. En
raison des caractristiques lectriques fortement non linaires des
cellules et de leurs
associations, le rendement des systmes photovoltaques peut tre
augment par les
solutions utilisant la technique dsormais classique et prouve de
recherche du point de
puissance maximale (Maximum Power Point Tracker : MPPT). Cette
solution est
galement utilisable pour la production dnergie olienne.
Les panneaux solaires sont faciles mettre en uvre. Leur
intgration dans un btiment
peut aussi ajouter une touche esthtique. Ils apportent une bonne
rponse aux besoins
nergtiques limits dans les sites isols et disperss
(tlcommunication, balises
maritimes).
Lnergie photovoltaque est en trs forte progression : en 2001,
lEurope comptait
environ 250 MW installs ; en 2003, ce chiffre est mont 560 MW
(Mirecki, 2005).
1.1.4.3 lEolien
La ressource olienne provient du vent, lequel est d
indirectement lensoleillement de
la Terre : une diffrence de pression se cre entre certaines
rgions de la plante, en
fonction du rchauffement ou du refroidissement local, mettant
ainsi des masses dair en
mouvement. Exploite depuis lantiquit puis longtemps nglige,
cette nergie connat
-
16 Contribution lOptimisation dun Systme de
depuis environ 30 ans un essor sans prcdent notamment d aux
premiers chocs
ptroliers. lchelle mondiale, lnergie olienne maintient un taux
de croissance de
30% par an depuis une dizaine dannes. LEurope, principalement
sous limpulsion
allemande, scandinave et espagnole, comptait environ 15000 MW de
puissance installe
en 2000. Ce chiffre a presque doubl en 2003, soit environ 27000
MW pour 40000MW
de puissance installe dans le monde. Les prvisions pour 2010
font tat dune
puissance olienne installe en Europe de lordre 70000 MW
(Mirecki, 2005).
1.1.4.4 Environnement et Cot des Energies Renouvelables
Vis--vis du respect de lenvironnement, les nergies renouvelables
ont un avantage
majeur, mme si leur intrt conomique court terme nest pas
toujours avr. Ainsi,
en 2001, les oliennes installes au Danemark un des pays parmi
les mieux quips
ont permis dviter 3.5 millions de tonnes de CO2, 6450 tonnes de
SO2, 6000 tonnes
doxyde azotique et 223000 tonnes de cendres volantes (Mons,
2005).
Si lon tient compte de la pollution produite lors de la
fabrication des diffrentes
technologies, lnergie olienne est la moins polluante avec
seulement 9 g de CO2 par
kWh (Mons, 2005). La biomasse est galement trs bien place car
elle ne contribue pas
au rchauffement climatique dans la mesure o le bois, pendant sa
croissance, fixe une
quantit au moins quivalente de CO2. Seul le nuclaire est en
mesure de rivaliser avec
les nergies renouvelables avec seulement 10 g de CO2 mis par
kWh. Cependant, la
production dlectricit nuclaire gnre des dchets radioactifs peu
complexes grer
mais sources dinquitudes pour lavenir (en particulier ceux vie
longue, hautement
radioactifs).
Les nergies renouvelables, hors lhydrolectricit, se heurtent
cependant plusieurs
obstacles, dont le plus important est incontestablement
conomique. A lheure actuelle,
elles sont peu ou pas rentables. A lexception de lhydrolectricit
dj largement
exploite , les nergies renouvelables souffrent de la comparaison
conomique avec
dautres sources dnergie. Quelques exemples suffisent rvler les
carts.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 17
Cots dInvestissement et dExploitation
Alors que le cot dinvestissement dun cycle combin au gaz naturel
est infrieur 500
/kW (Mons, 2005), il est gnralement compris entre 1000 et 3000
/kW pour lolien
et entre 3000 et 5000 /kW pour le photovoltaque.. Actuellement,
le cot moyen du
kWh nuclaire est de lordre de 3 4 centimes deuro (c) et de 4 8
c, selon le site,
dans le cas du kWh dorigine olienne, la plus comptitive des
nergies renouvelables
hors hydrolectricit. Toutefois, lolien peut rivaliser avec la
production dlectricit
partir du gaz naturel et du charbon selon les cours du
march.
Les cots de production de llectricit partir des autres nergies
renouvelables sont
encore plus hauts (15 c pour la gothermie et jusqu 65 c pour le
photovoltaque).
Les progrs sont nanmoins trs rapides et lolien est dsormais
proche des nergies
classiques. En un peu plus de 20 ans, le cot du kWh olien a
diminu de prs de 90%
(38 c en 1980). De la mme manire, les prix des panneaux
photovoltaques baissent
denviron 4% par an depuis 15 ans grce aux effets de srie (Mons,
2005).
Impact sur lEnvironnement
La comptitivit des nergies renouvelables pourrait tre dope si
les cots annexes des
diffrentes nergies taient pris en compte. La Commission
Europenne estime le
surcot li la dgradation de lenvironnement : entre 2 et 15 c pour
une centrale au
charbon, entre 3 et 11 c pour une centrale au fioul, au maximum
2.5 c pour les
nergies renouvelables (Mons, 2005). La hirarchie des cots de
production du kWh
partir des diffrentes nergies sen trouve compltement modifie. La
plupart des
nergies renouvelables sont alors plus comptitives que les
centrales au charbon et au
fioul. Actuellement, ces cots annexes ne sont pas retenus mais
des rflexions sont
menes sur la mise en place de certificats verts (quotas de
production dlectricit
partir de renouvelables).
Outre leur manque de comptitivit conomique, les nergies
renouvelables en
particulier lolien et le solaire ont un inconvnient srieux :
lintermittence. Leur
disponibilit est, en effet, irrgulire puisquelle dpend de la
vitesse du vent et de
lensoleillement. En dpit de ces dsagrments, des entreprises
spcialises dans la
-
18 Contribution lOptimisation dun Systme de
construction olienne ont merg, en particulier en Allemagne, au
Danemark et en
Espagne. Le leader mondial Vestas (Danemark) a doubl son chiffre
daffaires depuis
2000 pour atteindre 1.7 milliards deuros en 2003. Lutilisation
de moyens de stockage
permet de rduire les inconvnients de lintermittence des sources
dnergie (Breeze,
2005 ; Ribeiro et. al, 2001).
1.2 Classement des Turbines Eoliennes
Aprs ses premires utilisations lpoque de la Perse Antique, la
technologie qui
permet de profiter de lnergie du vent a volu sous diverses
formes et types de
machines. La structure de base des turbines oliennes consiste
aujourdhui en un rotor
pour capter lnergie du vent en la transformant en nergie en
rotation, un systme
dengrenage pour dmultiplier la vitesse de rotation du rotor, une
machine lectrique
pour convertir lnergie mcanique en lectricit. Un schma de
principe est donn la
figure 1.2. Il existe diffrentes faons de classer les turbines
oliennes mais celles-ci
appartiennent principalement deux groupes selon lorientation de
leur axe de rotation :
celles axe horizontal et celles axe vertical.
Wind turbine
Electric Generator
Speed-up Gearbox
Electric grid or load
Figure 1.2. Schma de principe dun systme olien
1.2.1 Turbines Eoliennes Axe Horizontal (HAWT)
Une turbine axe de rotation horizontal demeure face au vent,
comme les hlices des
avions et des moulins vent. Elle est fixe au sommet dune tour,
ce qui lui permet de
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 19
capter une quantit plus importante dnergie olienne. La plupart
des oliennes
installes sont axe horizontal. Ce choix prsente plusieurs
avantages, comme la faible
vitesse damorage (cut-in) et un coefficient de puissance
(rapport entre la puissance
obtenue et la puissance de la masse dair en mouvement)
relativement lev (Mathew,
2006). Toutefois, la boite de vitesses et la machine lectrique
doivent tre installes en
haut de la tour, ce qui pose des problmes mcaniques et
conomiques. Par ailleurs
lorientation automatique de lhlice face au vent ncessite un
organe supplmentaire
( queue , yaw control ).
Selon son nombre de pales, une HAWT est dite mono-pale, bipale,
tripale ou multi-pale.
Une olienne mono-pale est moins coteuse car les matriaux sont en
moindre quantit
et, par ailleurs, les pertes arodynamiques par pousse (drag)
sont minimales.
Cependant, un contrepoids est ncessaire et ce type dolienne nest
pas trs utilis
cause de cela. Tout comme les rotors mono-pales, les rotors
bipales doivent tre munis
dun rotor basculant pour viter que lolienne ne reoive des chocs
trop forts chaque
fois quune pale de rotor passe devant la tour (Windpower, 2007).
Donc, pratiquement
toutes les turbines oliennes installes ou installer
prochainement sont du type tripale.
Celles-ci sont plus stables car la charge arodynamique est
relativement uniforme et
elles prsentent le coefficient de puissance le plus lev
actuellement.
Suivant leur orientation en fonction du vent, les HAWT sont
dites en amont (up-
wind) ou en aval (down-wind). La figure 1.3 montre les deux
types mentionns. Les
premires ont le rotor face au vent ; puisque le flux dair
atteint le rotor sans obstacle, le
problme de lombre de la tour (tower shadow) est bien moindre.
Nanmoins, un
mcanisme dorientation est essentiel pour maintenir en permanence
le rotor face au
vent. Les oliennes rotor en aval nont pas besoin de ce mcanisme
dorientation mais
le rotor est plac de lautre cot de la tour : il peut donc y
avoir une charge ingale sur
les pales quand elles passent dans lombre de la tour. De ces
deux types doliennes,
celle en amont est largement prdominante.
-
20 Contribution lOptimisation dun Systme de
Figure 1.3. Turbines oliennes en amont et en aval
1.2.2 Turbines Eoliennes Axe Vertical (VAWT)
Laxe de rotation dune VAWT est vertical par rapport au sol et
perpendiculaire la
direction du vent. Ce type de turbine peut recevoir le vent de
nimporte quelle direction,
ce qui rend inutile tout dispositif dorientation. Le gnrateur et
la boite dengrenages
sont disposs au niveau du sol, ce qui est plus simple et donc
conomique (Mathew,
2006). La maintenance du systme est galement simplifie dans la
mesure o elle se
fait au sol. Ces turbines ne disposent pas de commande dangle de
pale comme certaines
HAWT. La figure 1.4 montre trois conceptions de VAWT.
Un inconvnient, pour certaines VAWT, est de ncessiter un
dispositif auxiliaire de
dmarrage. Dautres VAWT utilisent la pousse (drag) plutt que la
portance
arodynamique (lift, effet qui permet un avion de voler), ce qui
se traduit par une
rduction du coefficient de puissance et un moindre rendement. La
majorit des VAWT
tourne faible vitesse, ce qui est trs pnalisant dans les
applications de gnration
dlectricit avec connexion au rseau public (50 ou 60 Hz) car la
boite de vitesses doit
permettre une importante dmultiplication. Le faible rendement
arodynamique et la
quantit de vent rduite quelles reoivent au niveau du sol
constituent les principaux
handicaps des VAWT face aux HAWT.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 21
Figure 1.4. Turbines axe vertical (Source: Hau, 2006)
1.3 Boite de Vitesses
La boite de vitesses est un composant important dans la chane de
puissance dune
turbine olienne. La vitesse de rotation dune turbine olienne
typique est de lordre de
quelques tours/mn quelques certaines de tours/mn selon ses
dimensions (Breeze,
2005 ; Mathew, 2006) alors que la vitesse optimale dun gnrateur
conventionnel se
situe entre 800 et 3600 tours/mn. En consquence, une boite de
vitesses lvatrice est
habituellement ncessaire pour adapter les deux vitesses de
rotation.
La boite de vitesses dune turbine olienne doit tre extrmement
robuste (heavy duty).
Lidal serait que le gnrateur lectrique puisse aussi fonctionner
vitesse variable
comme celle du vent. Cette approche implique toutefois un
convertisseur lectronique
pour adapter la frquence de fonctionnement du gnrateur celle du
rseau. Le surcot
nest pas ngligeable.
Dans les turbines de taille moyenne et grande, la relation de
vitesses dsire est obtenue
par lintroduction dun systme dengrenage 2 ou 3 tages. Si un
rapport plus lev est
ncessaire, un ensemble dengrenages dans un autre arbre
intermdiaire peut
sintroduire dans le systme. Nanmoins, le rapport entre un
ensemble dengrenages est
contraint normalement 1:6 (Mathew, 2006). De plus, les
engrenages picyclodaux
peuvent transmettre de manire fiable des grandes charges. De nos
jours, des boites
-
22 Contribution lOptimisation dun Systme de
haute performance avec des rapports de 1:100 et plus sont
utilises sur les grands
gnrateurs.
La boite de vitesses est le composant le plus fragile dans une
turbine olienne (Breeze,
2005 ; Hau, 2006). Les problmes constats proviennent dun
mauvais
dimensionnement de la boite vis--vis de son spectre de charge.
Dans les turbines
oliennes, il est difficile destimer les fortes charges
dynamiques que la boite doit
supporter. Historiquement, les premires boites taient
sous-dimensionnes.
Lexprience des casses qui sensuivirent a permis aux
constructeurs de parvenir un
dimensionnement correct quoique purement empirique (Hau,
2006).
Les diffrentes configurations, une mthode de dimensionnement,
des chiffres pour le
rendement des boites de vitesses utilises dans les applications
oliennes et le concept
dentranement direct (gearless) sont donns dans lannexe A.
1.4 Gnrateurs
Lapplication la plus frquente des turbines oliennes est
aujourdhui la production
dlectricit. Pour cela, lutilisation dune machine lectrique est
indispensable. Les
gnrateurs habituellement rencontrs dans les oliennes sont
prsents dans ce qui suit.
Diffrents types de machines lectriques peuvent tre utiliss pour
la gnration de
puissance olienne. Des facteurs techniques et conomiques fixent
le type de machine
pour chaque application. Pour les petites puissances (< 20
kW), la simplicit et le cot
rduit des gnrateurs synchrones aimants permanents (PMSG)
expliquent leur
prdominance. Dans les applications de plus forte puissance,
jusqu 2 MW environ, le
gnrateur asynchrone est plus courant et conomique.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 23
1.4.1 Gnrateur Asynchrone (IG)
Le gnrateur induction est largement utilis dans les turbines
oliennes de moyenne
et grande puissance en raison de sa robustesse, sa simplicit
mcanique et son cot
rduit. Son inconvnient majeur est la consommation dun courant
ractif de
magntisation au stator.
1.4.1.1 Gnrateur Asynchrone Cage dEcureuil (SCIG)
Jusqu prsent le SCIG correspond au choix prpondrant de par sa
simplicit, son bon
rendement et une maintenance rduite (Ackermann, 2005). La
demande de puissance
ractive est compense par la connexion dun groupe de
condensateurs en parallle avec
le gnrateur (Figure 1.5), ou par la mise en uvre dun
convertisseur statique de
puissance (Figure 1.7).
Rotor
Gearbox
SCIG
Capacitors
Utility grid or
Electric load
Figure 1.5. Systme de conversion olien avec SCIG vitesse
fixe
1.4.1.2 Gnrateur Asynchrone Rotor Bobin (WRIG)
Grce un systme de bagues et balais, la tension applique au rotor
peut tre
commande par un convertisseur lectronique de puissance. De
lnergie pouvant ainsi
tre applique ou extraite du rotor, le gnrateur peut se magntiser
par le rotor comme
par le stator (Ackermann, 2005).
-
24 Contribution lOptimisation dun Systme de
Gnrateur Asynchrone Doublement Aliment (DFIG)
Une des configurations en forte croissance dans le march des
turbines oliennes est
connue sous le nom de gnrateur asynchrone doublement aliment
(DFIG). Celui-ci est
un WRIG dont le stator est reli directement au rseau de
puissance et dont le rotor est
connect un convertisseur de type source de tension (VSC) en
back-to-back , qui
fait office de variateur de frquence. La double alimentation
fait rfrence la tension
du stator prleve au rseau et la tension du rotor fournie par le
convertisseur. Ce
systme permet un fonctionnement vitesse variable sur une plage
spcifique de
fonctionnement. Le convertisseur compense la diffrence des
frquences mcanique et
lectrique par linjection dun courant frquence variable au rotor
(Figure 1.6).
Rotor
Gearbox WRIG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 1.6. Systme avec DFIG pour lopration vitesse variable
Les points forts du DFIG sont :
a) Sa capacit de commander la puissance ractive et, de cette
faon, de dcoupler
la commande des puissances active et ractive.
b) Il peut se magntiser partir du rotor sans prlever au rseau la
puissance
ractive ncessaire.
c) Il est capable dchanger de la puissance ractive avec le rseau
pour faire la
commande de tension.
d) La taille du convertisseur nest pas simplement en rapport
avec la puissance
totale du gnrateur, mais aussi avec la gamme de vitesse choisie.
En fait, le
cot du convertisseur augmente avec la gamme de vitesse autour de
la vitesse de
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 25
synchronisme. Son inconvnient rside dans la prsence obligatoire
de bagues et
balais.
1.4.2 Gnrateur Synchrone (SG)
Lavantage du gnrateur synchrone sur lIG est labsence de courant
ractif de
magntisation. Le champ magntique du SG peut tre obtenu par des
aimants ou par un
bobinage dexcitation conventionnel. Si le gnrateur possde un
nombre suffisant de
ples, il peut sutiliser pour les applications dentranement
direct (direct-drive) qui ne
ncessitent pas de boite de vitesses (gearless). Le SG est
toutefois mieux adapt la
connexion indirecte au rseau de puissance travers un
convertisseur statique (Figure
1.7), lequel permet un fonctionnement vitesse variable. Pour des
units de petites
tailles, le gnrateur aimants permanents (PMSG) est plus simple
est moins coteux.
Au-del de 20 kW (environ), le gnrateur synchrone est plus coteux
et complexe
quun gnrateur asynchrone de taille quivalente (Ackermann,
2005).
Rotor
Gearbox
PMSG / WRSG
Frequency converter
Utility grid or
Electric load
~ ~
Figure 1.7. Systme avec gnrateur synchrone pour un
fonctionnement vitesse
variable
1.4.2.1 Gnrateur Synchrone Rotor Bobin (WRSG)
La connexion directe au rseau de puissance implique que le GS
tourne vitesse
constante, laquelle est fixe par la frquence du rseau et le
nombre de ples de la
machine. Lexcitation est fournie par le systme de bagues et
balais ou par un systme
-
26 Contribution lOptimisation dun Systme de
brushless avec un redresseur tournant. La mise en uvre dun
convertisseur dans un
systme multipolaire sans engrenages permet un entranement direct
vitesse variable.
Toutefois, cette solution implique lutilisation dun gnrateur
surdimensionn et dun
convertisseur de puissance dimensionn pour la puissance totale
du systme.
1.4.2.2 Gnrateur Synchrone Aimants Permanents (PMSG)
La caractristique dauto excitation du PMSG lui permet de
fonctionner avec un facteur
de puissance lev et un bon rendement, ce qui le rend propice
lapplication des
systmes de gnration olienne (Ackermann, 2005). En fait, dans la
catgorie des
petites turbines, son cot rduit et sa simplicit en font le
gnrateur le plus employ.
Cependant, dans les applications de plus grande puissance, les
aimants et le
convertisseur (lequel doit faire transiter toute la puissance
gnre), en font le moins
comptitif.
1.4.3 Autres Gnrateurs
Les oliennes raccordes au rseau de puissance ncessitent un
transformateur lvateur
pour adapter la tension de la machine celle du rseau. En
consquence, la mise en
uvre de gnrateurs haute tension est une solution en cours
dvaluation. Cela
permettrait, en consquence, de diminuer les pertes par effet
joule du systme en
liminant le transformateur. Cest aussi au niveau de londuleur
que cela peut-tre
intressant avec des IGBT haute tension. Dans cette optique, les
machines synchrones et
induction sont des options intressantes pour des turbines
oliennes de plus de 3 MW.
Cependant, leur cot lev, des problmes de scurit et de dure de
vie limitent leur
commercialisation (Ackermann, 2005).
Les caractristiques du gnrateur rluctance commute (SRG) sont la
robustesse, une
structure simple, un rendement lev, des cots rduits et la
possibilit de fonctionner
sans boite dengrenages (Ackermann, 2005). Toutefois, son
adaptation aux turbines
oliennes na pas t tudie en dtail. Les inconvnients consistent en
une densit de
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 27
puissance et un rendement infrieurs ceux du PMSG. De plus, il
ncessite un
convertisseur dimensionn pour toute la puissance gnre.
Lutilisation du gnrateur flux transversal (TFG) est aussi ltude.
Il sagit dune
option intressante, encore peu voque pour une application aux
systmes de
gnration olienne. Ce gnrateur autorise un nombre de ples lev
pour une
application gearless. Cependant, le nombre de composants
ncessaires et une
technologie encore ses dbuts en limitent son application
(Ackermann, 2005).
1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites
Eoliennes
Trois types de machines lectriques se retrouvent principalement
dans une olienne de
petite taille (
-
28 Contribution lOptimisation dun Systme de
centre de la machine. Il est possible dimmobiliser le rotor en
prsence de vents
modrs de faon raliser la maintenance de la turbine.
Certains fabricants affirment que les alternateurs aimants
permanents sont les
meilleures machines pour de petites oliennes en raison dun
entretien rduit.
Lentretien dune gnratrice courant continu est plus frquent
puisqu'il faut remplacer
les balais tous les 6 ou 10 ans. Toutefois, ce remplacement ne
prsente pas de difficults
particulires. Pour le fabricant, le principal avantage des
alternateurs aimants
permanents rside dans leur cot relativement faible : les aimants
sont moins coteux
que les bobinages en cuivre dans la gamme de puissance des
petites oliennes. Il y a
galement dautres avantages pour lutilisateur : le freinage
dynamique et la production
dun courant alternatif plutt que continu, ce qui reprsente des
conomies lachat du
cble lectrique reliant lolienne larmoire lectrique.
Cependant, contrairement aux alternateurs aimants permanents
dans lesquels
linduction dexcitation demeure constante, linduction magntique
dans lalternateur
rotor bobin peut tre module selon la vitesse du vent pour une
utilisation optimale de
lolienne.
Un avantage des alternateurs inducteur bobin est leur capacit de
dmarrage par
vents faibles. Ceci sexplique par le fait quil ny a presque pas
de flux magntique
dvelopp par linducteur, donc une trs faible rsistance au
mouvement pour
larmature en rotation. Linduction magntique peut tre augmente au
fur et mesure
que les vents se renforcent. En consquence, la gnratrice rotor
bobin permet de
dlivrer une puissance voluant comme le cube de la vitesse du
vent, multipliant par 8 la
puissance recueillie en sortie de la gnratrice lorsque la
vitesse du vent double. Les
alternateurs aimants permanents prsentent une induction
magntique constante quelle
que soit la vitesse de rotation du rotor. Le rotor est donc plus
difficile dmarrer et
lalternateur nest performant que dans une gamme limite de
puissance. Les autres
points de fonctionnement ne correspondent qu des compromis lors
du
dimensionnement, ce qui est particulirement pnalisant en cas de
vents moyens ou
faibles, c'est--dire le plus souvent pour une olienne.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 29
Afin de limiter ce problme, les fabricants qui utilisent des
alternateurs aimants
permanents conoivent les pales pour maximiser le couple de
dmarrage afin que le
rotor puisse dmarrer vent rduit. Cette conception dhlice a aussi
un impact sur le
rendement arodynamique des vitesses de vent plus leves.
Quant aux alternateurs excitation sans balais, ils cumulent les
avantages des deux
types de machines. Ils possdent un inducteur bobin et nont pas
de balais. Cependant,
comparativement aux alternateurs aimants permanents, les
alternateurs sans balais
sont plus complexes. Ils sont donc plus coteux, lachat comme
lentretien.
1.5 Systmes de Stockage pour la production dlectricit
Le stockage dlectricit prsente plusieurs attraits importants
pour la gnration, la
distribution et lutilisation de lnergie lectrique. Pour le rseau
public, par exemple,
une installation de stockage dnergie est utile pour conserver
llectricit gnre
durant les priodes creuses de consommation afin de la restituer
lors des fortes
demandes. Le stockage dnergie permet de fournir de lnergie de
soutien (back-up) en
cas de panne de rseau ; le stockage dnergie est la seule rponse
possible une perte
du rseau dalimentation lectrique. Le stockage dnergie joue aussi
un rle important
dans la gnration dlectricit partir de sources renouvelables
(Breeze, 2005 ; Ribeiro
et. al., 2001). La nature intermittente des sources
renouvelables comme le solaire,
lolien et les mares rendent ncessaire une forme de stockage.
Cependant, le stockage de lnergie nest pas encore largement
rpandu. La
disponibilit et le cot lev des diffrentes technologies
expliquent en partie cet tat de
fait. Avant les annes 1980, le pompage de leau dans les
centrales hydrauliques
constituait pratiquement le seul systme de stockage de lnergie
lectrique grande
chelle. Depuis, dautres systmes se sont dvelopps et les
applications domestiques
sont en plein dveloppement mais le cot reste un handicap.
-
30 Contribution lOptimisation dun Systme de
1.5.1 Types de Stockage dEnergie
Llectricit doit tre consomme au moment mme de sa gnration. Le
rseau
lectrique doit donc tre rgul en permanence et les systmes de
dispatching
quilibrent la demande dlectricit et sa production. Disposer dune
rserve
dlectricit apparat comme un atout majeur pour le fonctionnement
du rseau.
Cependant, le stockage de llectricit est difficile matriser.
Les deux moyens ralistes de stockage lectrique utilisent pour
lun : une bobine
(ventuellement supraconductrice) dans laquelle est conserv un
courant continu ; pour
lautre : un condensateur aux bornes duquel est conserve une
tension continue. Les
autres systmes de stockage passent par une autre forme dnergie
(cintique,
chimique) : lnergie doit alors tre reconvertie en lectricit pour
tre restitue.
Une batterie rechargeable donne lillusion de stocker de
llectricit ; en ralit, elle
conserve lnergie sous une forme chimique. Une centrale
hydraulique pompage
utilise lnergie potentielle. Un volant dinertie conserve lnergie
cintique. Un
systme de stockage air comprim (CAES, de Compressed Air Energy
Storage)
conserve une autre forme dnergie potentielle.
Parmi toutes ces solutions de stockage dlectricit, plusieurs
sont dj disponibles au
niveau commercial, dautres sont encore au stade du dveloppement.
Chacune a ses
avantages et ses inconvnients.
Pour le stockage grande chelle, trois technologies sont
actuellement disponibles
(Breeze, 2005) : le stockage par pompage deau, par air comprim
et, dans une moindre
mesure, dans des grandes batteries. Les batteries, les volants
dinerties et les systmes
de stockage capacitif sont aussi utiliss dans les petites et
moyennes installations de
stockage dnergie. Le stockage dnergie sous forme magntique laide
de bobinage
supraconducteur (SMES, de Superconductiong Magnetic Energy
Storage) est utilis
dans des installations de petite taille et serait envisageable
dans de plus grandes
installations mais il a encore un cot lev (Breeze, 2005 ;
Ribeiro et. al., 2001).
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 31
Pour les systmes isols de petite puissance qui utilisent des
nergies renouvelables, le
moyen de stockage habituellement utilis repose sur la mise en
uvre de batteries. En
particulier, les batteries au plomb prsentent lavantage dune
grande disponibilit et
celui dun rapport prix/dure de vie satisfaisant. Un tat de lart
des diffrentes formes
de stockage et un bilan des technologies de batteries se
trouvent dans lannexe B.
1.6 Applications des Turbines Eoliennes
la diffrence des sicles passs, il nest plus ncessaire dinstaller
les systmes oliens
prcisment sur le lieu dutilisation de lnergie. Les systmes
oliens sont maintenant
utiliss pour gnrer de lnergie lectrique qui est transfre par un
rseau lectrique
sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs.
Les systmes de gnration olienne individuels (stand-alone) qui
fournissent de
llectricit de petites communauts sont assez rpandus. La
caractristique
intermittente du vent est lorigine de systmes hybrides avec un
soutien diesel et/ou
photovoltaque pour lutilisation dans des endroits isols. Pour
augmenter la puissance,
les turbines oliennes peuvent tre regroupes en parcs oliens et
transfrer lnergie au
rseau public travers leurs propres transformateurs, lignes de
transport et sous-
stations. Les parcs oliens tendent se dplacer vers des sites
marins (off-shore) pour
capter davantage dnergie du vent.
1.6.1 Systmes de Puissance Isols et Emploi de lEnergie
Eolienne
Les systmes de puissance isols aliments en lectricit par des
moyens oliens et
autres formes dnergie renouvelable mergentes sont aujourdhui des
options
techniquement fiables. Ces systmes sont frquemment perus comme
plus appropris
pour lalimentation locale de puissance dans les pays en
dveloppement. Le progrs
technologique leur assure un potentiel important comme lments de
gnration
distribus pour les grands rseaux de puissance dans les pays
dvelopps.
-
32 Contribution lOptimisation dun Systme de
Durant les dernires annes, dimportants efforts ont t mens pour
limplmentation
de lnergie olienne dans des systmes de puissance locaux et
rgionaux travers
lintgration de systmes de distribution de petite et moyenne
taille (Ackermann, 2005).
De nombreux travaux ont t publis et il existe une littrature
abondante sur le sujet.
Les tudes et le dveloppement des systmes oliens pour les clients
isols sont
nanmoins raliss majoritairement au cas par cas et il est
difficile de gnraliser les
rsultats dun projet lautre.
Dans le domaine de llectrification rurale, il existe normalement
deux mthodes pour
fournir de lnergie lectrique :
a) Extension du rseau de puissance
b) Utilisation de gnrateurs diesel.
Pour des lieux loigns ces deux solutions peuvent tre
excessivement onreuses.
Lintroduction de technologies renouvelables peut contribuer
diminuer les cots de
fourniture dnergie pour ces sites isols en rduisant les cots de
fonctionnement. Les
technologies renouvelables, autres que la biomasse, sont
dpendantes dune source non-
fatale (dispatchable) ; la combinaison dune technologie
renouvelable de cot faible
avec une technologie non-fatale plus coteuse reprsente donc une
option intressante.
Les systmes de puissance qui utilisent plusieurs sources de
gnration sont appels
systmes de puissance hybrides . Pour fournir de llectricit une
communaut
loigne, ces systmes intgrent diffrents composants : production,
stockage,
conditionnement de puissance et systmes de commande.
Les systmes hybrides classiques sont composs dun bus courant
continu (DC) pour
le groupe de batteries et dun autre courant alternatif (AC) pour
le gnrateur et la
distribution. Cependant, les rcents progrs dans les domaines de
llectronique de
puissance et des systmes de commande permettent de rduire les
cots avec une
structure employant un seul bus AC. Les sources renouvelables
peuvent tre connectes
au bus AC ou au bus DC, selon la taille et la configuration du
systme. Les systmes
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 33
produisant de lnergie pour plusieurs maisons et/ou points de
consommation
fournissent habituellement de la puissance en courant alternatif
; quelques charges
peuvent toujours se raccorder au bus DC. Ce type de systme peut
produire quelques
kilowattheures (kWh) jusqu plusieurs mgawattheures (MWh) par
jour.
Les systmes qui alimentent de petites charges, de lordre de
quelques kWh/jour,
utilisent de prfrence le bus DC uniquement. Pour des charges
plus importantes, les
systmes utilisent plutt le bus AC comme point principal de
connexion. La tendance
est alors que chaque source possde son convertisseur avec sa
propre commande
intgre, ce qui permet une coordination de la production. Des
carts importants existent
entre les diffrentes configurations possibles.
Taux de Pntration du Vent
La quantit dnergie rcupre par les technologies associes aux
sources
renouvelables dans les systmes de puissance isols influence la
structure, la
performance et lconomie du systme. Le taux de pntration du vent
relie la puissance
produite par des moyens de gnration oliens et la puissance
totale du systme de
puissance.
Le rapport de pntration instantane (Pwind/Pload) est une mesure
technique qui
dtermine la structure, les composants et les principes de
commande utiliser pour le
systme. Le rapport de pntration moyenne (Ewind/Eload) est une
mesure de type
conomique qui dtermine le cot de lnergie du systme et indique le
pourcentage de
la gnration qui sera produite par la source renouvelable. La
dtermination du niveau
optimal de pntration moyenne de lolien dpend de lcart entre le
cot dinstallation
de la puissance olienne et les conomies associes au remplacement
du carburant par
lnergie renouvelable.
1.6.1.1 Systmes Hybrides avec Technologie Eolienne
Dans les systmes utilisant un bus DC, le groupe de batteries
joue le rle de rservoir de
puissance qui permet damortir les fluctuations du flux de charge
trs court terme et
-
34 Contribution lOptimisation dun Systme de
long terme. La rgulation est ralise de manire autonome, selon
quelques paramtres
spcifiques de la batterie.
Pour les systmes courant alternatif, lobjectif est dobtenir un
quilibre de la
production nergtique, rglant la tension et la frquence. Pour
obtenir une tension
une amplitude et une frquence stables, diverses mthodes sont
utilises, comme les
condensateurs synchrones, des groupes de batteries contrlables,
mcanismes de
stockage, des convertisseurs lectroniques de puissance et des
systmes de commande.
Dans certains cas, de petites turbines oliennes, de puissance
allant jusqu 20 kW, sont
directement raccordes aux dispositifs de charge. Les exemples
les plus courants sont
pour le pompage de leau, mais dautres applications comme la
fabrication de glace,
chargement de batteries et compression dair sont prises en
compte.
Systmes Hybrides DC pour des Petites Communauts Isoles
La figure 1.8 montre un systme de petite puissance DC
conventionnel avec une liaison
en courant alternatif travers un onduleur. La majorit de ces
systmes prsente une
structure o le bus DC de la batterie est le point central de
connexion. En gnral, les
petites oliennes produisent de llectricit en AC frquence
variable, laquelle est
redresse et applique au bus DC. Cette nergie est ensuite stocke
ou reconvertie en
AC ( amplitude et frquence fixes) travers un onduleur pour
fournir de lnergie la
charge.
La commande de ces petits systmes est faite en fonction de ltat
de charge de la
batterie. Le gnrateur olien doit limiter sa tension de sortie et
driver la puissance
produite lorsque la batterie est compltement charge et ne peut
donc plus stocker
dnergie. A loppos, londuleur et la charge doivent se dconnecter
pour arrter la
dcharge de la batterie quand la tension atteint un niveau limite
infrieur prdfini. Ces
deux proprits impliquent une conception adapte du systme,
optimisant ainsi les
ressources nergtiques et conduisant une quantit minimale dnergie
non fournie.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 35
Wind turbine
Battery Bank
Inverter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
DC bus
DC loads
PV controller
WT controller
Figure 1.8. Systme hybride de puissance avec bus DC avec sources
renouvelables et
gnrateur diesel
Systmes Hybrides AC pour des Petites Communauts Isoles
Dans cette topologie (mini-rseau), les diffrentes sources de
production sont
raccordes au bus commun de distribution en courant alternatif
avec des onduleurs
ddis (Figure 1.9). De telles structures associent des composants
de gnration en DC
ou en AC. La faisabilit technique et conomique de cette
structure est lie aux progrs
des convertisseurs statiques et de leur commande. Lavantage
principal est la modularit
qui permet la connexion et/ou le remplacement de modules de
production en cas de
besoin de plus dnergie. Linstallation des lments sur tout le
mini-rseau est possible,
ce que le systme avec bus DC ne permet pas.
Un dsavantage de ces systmes est quils ont besoin de technologie
volue, donc
chre et dapplication difficile dans des lieux isols. De plus,
lors du stockage de
lnergie, celle-ci doit passer du point de gnration vers le bus
AC et traverser le
convertisseur bidirectionnel qui relie la batterie au systme ;
ceci signifie que, dans les
systmes fonctionnant avec une forte capacit de stockage, cette
topologie prsente des
niveaux de pertes suprieurs.
-
36 Contribution lOptimisation dun Systme de
Wind turbine
Battery Bank Bidirectional converter
AC loads
= ~
PV array
Diesel generator
AC bus
PV inverter and controller
WT inverter and
Figure 1.9. Systme hybride de puissance avec mini-rseau avec
sources renouvelables
1.6.1.2 Systmes Hybrides Wind-Diesel
Dans les systmes isols de grande puissance qui associent des
turbines oliennes et des
machines gnratrices diesel, la distribution est faite en AC.
Cette association de
systme de gnration est nomme wind-diesel. Ces systmes produisent
de lnergie
avec une ou plusieurs sources oliennes afin de rduire la
consommation de carburant,
tout en gardant une qualit de lnergie acceptable. Pour tre
conomiquement justifi,
linvestissement en quipement ncessaire pour profiter de lnergie
du vent, doit se
rcuprer travers les conomies ralises sur le carburant. A cause
de la grande
quantit de mini-rseaux isols dont lnergie primaire est le
ptrole, dans les pays
dvelopps ou dans les pays en voie de dveloppement, le march pour
radapter ces
systmes en systmes hybrides avec des sources renouvelables de
faible cot, comme
lolien, est substantiel.
Un des dfis prsent par lincorporation de lnergie du vent dans
les centrales diesel
est la difficult de rguler la tension et la frquence du systme,
car la production des
oliennes est lie aux conditions alatoires du vent. Les problmes
de stabilit de la
tension et de la frquence augmentent avec la quantit relative de
production olienne
par rapport la puissance totale du systme. Ceci illustre la
manire dont le taux de
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 37
pntration du vent dans le systme de puissance peut influencer
fortement la
conception du systme et de ses composants.
1.6.1.3 Evolution de lolien dans les sites isols
Les turbines oliennes installes dans un systme isol dune
communaut rurale
diffrent des turbines places dans les fermes oliennes offshore
au Danemark. Il est
utile de prsenter une catgorisation des systmes de puissance
selon le niveau de
puissance installe. Une classification est montre dans le
Tableau 1.1.
Tableau 1.1. Classification des systmes de puissance
Puissance
installe (kW)
Catgorie Description
< 1 Micro systmes Systme DC dun seul nud 1 100 Systmes de
puissance pour village Systme de puissance de petite taille 100
10000 Systmes de puissance pour le Rseau de puissance isol >
10000 Grands systmes interconnects Grand systme de puissance
Un microsystme utilise typiquement une petite turbine olienne
avec une capacit de
moins de 1 kW.
Un systme pour un village a gnralement une capacit entre 1 kW et
100 kW, avec
une ou plusieurs turbines oliennes de lordre de 1 50 kW.
Un systme de puissance insulaire est normalement de 100 kW jusqu
10 MW de
puissance installe et ses oliennes sont dans la gamme des 100 kW
1 MW.
Un grand systme de puissance interconnect est normalement plus
grand que 10 MW,
avec plusieurs grandes turbines oliennes de plus de 500 kW
installes sous forme de
centrales dnergie olienne ou de fermes oliennes.
Les niveaux thoriques de pntration moyens du vent proposs par
Ackermann (2005)
pour les systmes du tableau 1.1 sont tracs sous forme de boites
en nuances de gris
dans la Figure 1.10. Ces valeurs sont ordonnes en fonction de la
capacit totale
installe du systme. Selon cet auteur, les valeurs de pntration
du vent pour un
microsystme devraient tre suprieures 90 % de la gnration totale
et entre 60% et
-
38 Contribution lOptimisation dun Systme de
100% pour le systme alimentant un village. Pour un systme isol
de forte puissance,
le niveau de pntration du vent naurait pas de limites (ni
infrieure ni suprieure)
mais, pour un grand systme interconnect (> 10 MW), la valeur
maximale propose est
de lordre de 65%.
100 80 60 40 20
Pntration du vent (%)
Puissance installe du systme
10 100 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW 100 GW 1 TW
Micro systme
Systme de puissance de village
Systme de puissance insulaire
Grand systme interconnect
Ile de Frya
Ile de Foula
Ile de Rathlin
Cape Clear
Masabit
La Dsirade
Dachen
Denham
Sal
Mindelo
Danemark (2030)
Danemark (1998)
Aujourdhui
Futur
Figure 1.10. Dveloppement prsent et futur de la pntration du
vent vs. la capacit
installe [Source : Ackermann, 2005]
Pour les systmes de grande puissance, la situation existant au
Danemark en 1998 et une
projection pour lanne 2030 sont utilises titre de rfrence. La
courbe en tirets
montre la situation actuelle correspondant des systmes rels en
fonctionnement. Elle
indique que le niveau de pntration de lnergie olienne dans les
systmes de
puissance rels diminue avec laugmentation de la capacit du
systme de puissance.
La courbe pointille indique le potentiel de dveloppement futur
vers des niveaux de
pntration oliens plus importants, envisageables pour les 20 ou
30 ans venir. Lle
de Froya, est un lieu de recherche norvgien prsentant un taux de
pntration moyen
du vent de lordre de 95%. Il sert de rfrence pour placer la
courbe du futur pour les
systmes de puissance.
-
Chapitre 1 Systmes de Conversion Eoliens 39
La faisabilit thorique dun taux de pntration trs lev dnergie
olienne change
radicale