Soutenance De Thse De Doctorat Etude modlisation et

Soutenance De Thèse De Doctorat Etude, modélisation et commande de la machine asynchrone à double alimentation (MASDA) utilisée en production d’énergie éolienne Présentée par: Hakim Bekka Directeur de Thèse: Professeur Djamila Rékioua Département de Génie Electrique mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 1

Introduction Générale L’existence des éoliennes remonte à plus de 5000 ans Pompage üIrrigation des champs agricoles üAbreuvage des animaux Dans la meunerie ( moudre le grain) Exploitation Production de l’énergie Electrique (Charle F. Bruche 1887) Arrêt de leur développement (Fin du 20 eme siècle) Choc pétrolier de 1973 + Conférence de Kyoto 1997 mardi 1 décembre 2020 Intérêt pour les énergies renouvelables Hakim Bekka 2

Evolution de la puissance éolienne cumulée dans le monde de 1995à 2013(MW) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 3

Années Pays 2007 (MW) 2008 (MW) 2009 (MW) 2010 (MW) 2011 (MW) 2012 (MW) Chine 5899 12210 26010 44733 62364 75564 Etats-Unis 16819 25170 35159 40180 46919 60007 Allemagne 22246 23903 25777 27215 29075 31332 Espagne 1457 14910 67613 67316 79618 France 4551 4043 4923 6604 6684 7196 Egypte 310 390 430 550 550 Maroc 125 253 286 291 20 54 54 54 104 Tunisie 7549 Algérie 0. 1 Le tableau 0. 1 présente l’évolution des dernières années de la puissance installée dans certains pays du monde. Les données sont exprimées en mégawatt(MW) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 4

Prise de conscience de l’Algérie vis-à-vis des énergies renouvelables Adoption d’un cadre juridique favorable à la promotion des énergies renouvelables capacité de 150 MW(Hassi Rmel Signature , le mois de février 2014, de deux arrêtés ministériels portant sur les de commercialisation Construction de la première Centrale hybride solaire/gaz d’une (La loi n° 04 -09 du 14 août 2004) modalités Réalisation d’infrastructures de l'électricité produite à partir d'installations Ghardaia) Construction du premier parc éolien de capacité de 10 MW à Adrar. éoliennes et photovoltaïques. mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 5

Projet Centrale Hybride Solaire Gaz de 150 MW mardi 1 décembre 2020 Première ferme éolienne algérienne Hakim Bekka 6

Vertical Axes Horizontal Classification des éoilennes Fixe Vitesses variable mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 7

Objectifs ü Etude d’une structure à base de machine asynchrone à double alimentation (MASDA) utilisée en production d’énergie éolienne ü Comportement de la MASDA face aux perturbations mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 8

PLAN DE TRAVAIL ü Introduction générale üChapitre 1 : Systèmes de conversion d’énergie éolienne üChapitre 2: Modélisation du générateur éolien üChapitre 3: Commande en puissance de la machine asynchrone à double alimentation üChapitre 4: L’impact des perturbations sur le système éolien üConclusion générale et perspectives mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 9

Systèmes de conversion d’énergie éolienne mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 10

Principe de conversion mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 11

Vent Source Production d’énergie électrique mardi 1 décembre 2020 De perturbations Hakim Bekka 12

Turbine : caractérisée par le Coefficient de puissance : Cp ( λ , β ) Puissance captée par la turbine PT = Pdispo · Cp( λ , β ) Fonctionnement à vitesse variable β=0° Cp=Cpmax β>0° Cp<Cpmax Optimisation de la puissance Limitation de la puissance extraite PT=Pdisp*Cpmax PT=PTnom mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 13

Zones de fonctionnement mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 14

mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 15

Technologie des Eoliennes 3 Structures Turbines Eoliennes Système à vitesse variable Système à vitesse fixe Structure à base de machine asynchrone mardi 1 décembre 2020 Structure à base de machine asynchrone à double alimentation Hakim Bekka Structure à base de machine synchrone 16

Éoliennes à vitesse de rotation fixe Avantages Machine standard Machine Robuste Faible coût Pas d’électronique de puissance Inconvénients Puissance extraite non optimisée Non gestion de la puissance réactive du générateur Coût élevé de la maintenance du multiplicateur Insertion d’un gradateur pour une reprise progressive lors d’un démarrage Machine ASynchrone (MAS) pas de contrôle de la machine contrôle de l’angle de calage pas de gestion de la puissance réactive, Q mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 17

Éoliennes à vitesse de rotation variable Structure à base d’une machine synchrone Avantages Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens Fonctionnement à vitesse variable sur toute la plage de vitesse Absence du multiplicateur de vitesse Inconvénients Coût assez élevé à cause des aimants qui sont en terres rares Dimensionnement pour une puissance nominale des éléments semiconducteurs Machine encombrante pour son grand diamètre Machine Synchrone à aimants (MS) contrôle des courants statoriques contrôle de l’angle de calage gestions de la puissance réactive, Q mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 18

Structure à base d’une machine asynchrone à double alimentation (MASDA) Avantages Puissance extraite optimisée pour les vents faibles et moyens Fonctionnement à vitesse variable sur une plage de vitesse tournant à ± 30% de la vitesse de synchronisme Dimensionnement autour de 25% de la puissance nominale des convertisseurs statiques Machine standard Inconvénients Existence d’un multiplicateur Commande complexe Réduction de la robustesse (existence balai/collecteur) Présence d’oscillations mécaniques réduites par un contrôle adéquat Sensibilité aux défauts électriques Machine ASynchrone à Double Alimentation (MASDA) contrôle des courants rotoriques contrôle de l’angle de calage gestion de la puissance réactive, Q mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 19

Modélisation du générateur éolien mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 20

La modélisation est la conception de modèles permettant d’analyser les phénomènes réels afin de prévoir leurs résultats. Comme la chaîne de conversion est un système assez complexe. Alors sa modélisation doit tenir compte de l’usage pour lequel il est destiné mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 21

Source des Vents vitesse moyenne du vent Profil de la vitesse de vent en fonction de la hauteur mardi 1 décembre 2020 Profil de la vitesse de vent en fonction de la hauteur et de α Hakim Bekka 22

Distribution de Weibull: caractérise le potentiel énergétique d’un site éolien (permet le dimensionnement de l’éolienne) Distribution de weibull (c=variable & k=2) K=facteur de forme 1<k<3 C=facteur d’échelle (m/s)=exprime la chronologie d’une vitesse donnée. Il est proportionnel à la vitesse moyenne du vent mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 23

Modélisation de la transmission Transmission rigide Modèle une masse Transmission flexible Modèle deux masses mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 24

Modèle de la machine asynchrone à double alimentation La mise en œuvre de son modèle est réalisée en posant les hypothèses suivantes: • Entrefer constant • Caractéristique du circuit magnétique linéaire (Perméabilité de fer infinie) • Répartition du champ est sinusoïdale • Pertes ferromagnétiques négligeables mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 25

La MASDA est modélisée pour les deux régimes: Régime permanent: afin de pouvoir établir le bilan de puissance Régime dynamique: pour concevoir la simulation de la commande choisie et l’étude des régimes transitoires mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 26

Schéma équivalent en T par phase d’une machine asynchrone à double alimentation mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 27

Bilan de puissance en régime permanent mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 28

Bilan de puissance réactive en régime permanent Hypothèse: cas de grande puissance, Xl 1 et Xl 2 sont négligeables devant Xm mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 29

Ecoulement de puissance réactive dans une structure MASDA Puisque l’éolienne fonctionne à facteur de puissance unitaire ou à facteur en avant alors Qres< ou =0 dans ce cas la quantité (QCSR/g +QCSG) doit être positive mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 30

Ecoulement de puissance dans une structure MASDA lors d’un fonctionnement moteur mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 31

Ecoulement de puissance dans une structure MASDA lors d’un fonctionnement générateur mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 32

Modèle dynamique de la machine asynchrone à double alimentation Comme le modèle est ramené à un référentiel « d, q » et le vecteur tension statorique orienté selon l’axe « q » ce qui permet d’annuler la composante d’axe « d » Hypothèses de travail : Résistance de phase Rs négligée Réseau stable donc flux de la machine constant mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 33

mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 34

Structure interne de la machine asynchrone mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 35

Modélisation de l’interface d’électronique de puissance Onduleur côté machine Bus continu Onduleur côté réseau Cette interface assure un échange de puissance bidirectionnel entre la machine et le réseau. mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 36

Cette étude s’intéresse au réglage des grandeurs électriques du système et non leur technique de modulation. Alors l’application du modèle moyen aux convertisseurs est suffisant. L’intérêt de l’application du modèle moyen est résumé par les points suivant: Modèle continu Son comportement est parfaitement adapté à ce type de convertisseurs Facile à mettre en œuvre Gain en temps de calcul La valeur moyenne d’une grandeur sur une fenêtre de largeur T, pour un harmonique de rang k, est définie comme suit: mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 37

Onduleur de tension côté machine Avec β 2=vecteur tournant üAssure la magnétisation de la machine asynchrone par le biais du bobinage rotorique üAssure le transfert de la puissance active entre le réseau et le bobinage rotorique de la machine asynchrone mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 38

Onduleur de tension côté réseau Après application de la moyenne glissante et la transformée de Park au système et en orientant le repère de Park selon l’axe « d » de manière que l’axe « d » soit parallèle à l’axe de tension de réseau, on déduit : üAssure la régulation de la tension du bus continu üAssure le transfert de l’énergie entre la machine asynchrone et le réseau (le transfert est bidirectionnel) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 39

Comme pour les machines, il est nécessaire d’introduire le modèle des pertes afin de pouvoir établir le bilan de puissance. A cet effet le fonctionnement nous permet de déduire deux types de pertes Modélisation des pertes dans l’onduleur de tension Pertes par conduction dans le convertisseur (transistor où diode) mardi 1 décembre 2020 Pertes par commutation dans le convertisseur (transistor où diode) Hakim Bekka 40

Commande en puissance de la machine asynchrone à double alimentation mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 41

Principe de la commande en puissance active et réactive d’une MASDA [14] mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 42

Schéma de commande de la structure de la MASDA mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 43

Contrôle des courants de l’onduleur côté rotor Contrôle des courants de l’onduleur côté réseau Chaque contrôle de courant de l’onduleur est constitué de deux boucles de contrôle, contrôlant séparément les courants selon l’axe « d » et « q » mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 44

Boucle de régulation des courants côté rotor avec découplage mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 45

Contrôle de la vitesse L’objectif principal du contrôle de la vitesse de rotation de la machine est l’extraction du maximum de puissance lors d’un fonctionnement en charge partielle et la limitation de puissance pour un fonctionnement en pleine charge. Stratégie MPPT Correcteur de vitesse mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 46

La structure du correcteur RST d’ordre 1 retenue pour le correcteur de vitesse Le correcteur S/R est de type PI permet d’annuler l’erreur Le terme anticipatif Ka permet d’adapter la réponse du système à la consigne en permettant le choix du zéro introduit par la fonction de transfert du correcteur PI mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 47

Structure d’un correcteur RST d’ordre 1 Comme la fonction de transfert de poursuite présente un zéro Si Ka=0 maintien de RST, si Ka=-S 1 alors le régulateur devient un PI mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 48

Contrôle des courants de l’onduleur côté réseau Contrôle de la tension UC du bus continu mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 49

Le modèle de la pale tel que décrit par la relation (3. 20): Permet d’établir la structure de contrôle de la pale Comporte deux boucles: mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 50

L’impact des perturbations sur le système éolien mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 51

Problématique Dans un passé assez récent, les productions d’énergie électrique à base d’éoliennes ne sont tenues à aucune restriction, elles sont connectées dès qu’il y a possibilité de produire de l’énergie sinon déconnectées à la moindre apparition d’un problème Suite à un retour d’expérience, beaucoup de problèmes induit par les éoliennes ont été recensés üPrévision de production d’énergie (impossibilité de prévoir sur une longue durée) üCapacité d’accueil du réseau électrique (lignes dimensionnées pour une certaine capacité) üSensibilité vis-à-vis de certaines perturbations (vent fort, creux de tension) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 52

Creux de tension Suite à ce retour d’expérience, le législateur à mis au point les conditions de raccordement au réseau des production d’énergie éolienne: § Tenue au creux de tension: l’éolienne doit rester connectée durant le défaut Définition: Selon la norme IEEE std 1159, un creux de tension est une chute de tension caractérisée par une profondeur allant de 10%à 90% de la tension nominale. Provenance des creux de tension: ü Courts-circuits entrainant des chute de tensions ü Surcharges ü Démarrages de moteurs surtout de grande puissance mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 53

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Comportement d’une éolienne face aux creux de tension Notre travail consiste à mettre en jeu les capacités intrinsèques de l’éolien durant l’apparition d’un défaut qui consiste à mettre en action le dispositif de contrôle de l’angle de calage Action sur angle de calage pendant le défaut mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 55

Gabarits de creux de tension imposant aux éoliennes de rester connecter mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 56

Réseau de soutien Hispanique lors d’un creux de tension par injection du courant réactif Remarque: la fourniture du réactif ne doit pas être générée durant les 100 ms premières du défaut mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 57

Système électrique retenu pour l’étude de la tenue aux creux de tension L’effet du creux de tension est fonction de l’impédance de court circuit qui lie le générateur éolien au réseau [80]. La méthode retenue pour simuler le système est définie de la manière suivante : • Les éoliennes doivent être en condition de fonctionnement nominal avant le défaut. On notera que c’est dans ces conditions que la reprise au vol est la plus difficile, notamment à cause de l’accélération de la turbine [20]. • La puissance de court-circuit du réseau amont (Scc) doit être égale à 10 fois la puissance active nominale de l’éolienne et avec un rapport R/X = 0, 1. • La source de tension parfaite correspond au gabarit de creux de tension utilisé, ajusté d’un coefficient K permettant d’obtenir une tension de 1 pu au point de raccordement avant le défaut. mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 58

Figure 4. 5 Chute de tension durant un creux de tension d’une éolienne à base de MASDA mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 59

Résultats de simulation Creux de tension La machine fonctionne en régime hyper synchrone, c’est le fonctionnement le plus contraignant Figure. 4. 6: Vitesse de rotation de la MASDA lors de la reprise au vol On constate qu’au début du défaut, en raison de l’annulation du couple , la vitesse de la machine augmente. Elle reste toutefois limiter par l’action de β. Sa valeur maximale est d’environ 40% de sa valeur de synchronisme. Cette augmentation de vitesse est accentuée par des oscillations provoquées par le multiplicateur On constate aussi que le couple reprend, lorsque la tension dépasse 0. 5 pu Figure. 4. 7 Couple de la génératrice lors de la reprise au vol mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 60

Figure 4. 8 Puissance statorique de la génératrice lors de la reprise au vol On remarque le convertisseur côté réseau n’injecte pas de puissance active au début du défaut A la reprise du contrôle du couple, les puissances injectées au réseau par le stator et le convertisseur côté réseau sont fortement influencées par les oscillations du couple, néanmoins, elles sont ramenées à leurs valeurs nominales par l’action des commandes. Comme on constate aussi que juste après le défaut, les puissances sont constantes durant un laps de temps, ce qui contribue au ralentissement de la vitesse de la machine. Figure 4. 9 Puissance du convertisseur côté réseau lors de la reprise au vol mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 61

On constate que la tension Uc, au retour du contrôle du couple , est maintenue à une valeur proche de 20% au dessus de sa valeur nominale, dans cet intervalle de temps le dispositif de dissipation d’énergie est actionné pour évacuer le surplus d’énergie Figure 4. 12 : Tension du bus continu lors de la reprise au vol mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 62

Figure 4. 11: Courant « d, q » du convertisseur côté réseau lors de la reprise au vol On constate un pic de puissance réactive au début du défaut. Par contre au retour du contrôle du couple, la fourniture du réactif s’en trouve très réduit, ce qui nous conduit à dire que ce dispositif est limité dans la fourniture du réactif Figure 4. 10 Puissance réactive lors de la reprise au vol mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 63

Résultats de simulation Vents forts Cas d’un profil de vent en rampe Figure. 4. 17 Evolution de la puissance de la turbine en (pu) en fonction de la vitesse du vent mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 64

Figure. 4. 15 Evolution des Puissances ( statorique, rotorique et la puissance fournie au réseau) exprimée en (pu) Figure. 4. 14 Evolution de la vitesse de rotation de la MASDA exprimée en (pu) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka Figure. 4. 18 Evolution du coefficient de puissance de la turbine en fonction de la vitesse du vent Ces figures illustrent l’évolution des grandeurs mécaniques et électrique Comme on constate aussi au travers la figure 4. 15 que la puissance au stator garde son signe par contre celle du rotor change lorsque la vitesse par le point de synchronisme Comme on remarque sur la figure 4. 18, pour les vents forts, le Cp se dégrade 65

Figure. 4. 19 Evolution des courants de l’onduleur côté réseau Figure. 4. 20 Evolution des courants rotoriques, glissement et vitesse de rotation ΩG Ces deux figures montrent l’évolution des courants de l’onduleur côté réseau et les courants rotoriques, comme la figure 4. 20 fait ressortir l’évolution de la fréquence rotorique mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 66

On constate que durant le changement de régime càd le passage d’un fonctionnement hypo vers hyper ou vis versa, la tension du bus continu ne subit pas de variation Figure. 4. 21 Variation du glissement et changement de régime mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 67

cas d’un profil de vent en rafale Evolution de la vitesse de vent en rafale mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 68

Figure. 4. 23 Evolution du glissement pour un vent en rafale La puissance délivrée au réseau dans le cas rafales fortes est maintenue constante On constate aussi le suivi du signe par la puissance rotorique lors du changement de régime Figure. 4. 24 Evolution en cas de rafale des Puissances ( statorique, rotorique et la puissance fournie au réseau) exprimées en (pu) mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 69

Figure. 4. 25 Evolution en cas de rafale de la Puissance de la turbine exprimée en (pu) mardi 1 décembre 2020 Figure. 4. 26 Evolution en cas de rafale de l’angle de calage Hakim Bekka 70

Conclusion Générale Dans ce travail de thèse nous avons abordé les problématiques posés par les dispositifs de conversion d’énergie éolienne dédiés à la production de l’énergie électrique d’une façon générale et les potentialités offertes par une structure à base d’une MASDA d’une façon particulière. Nous avons commencé par montrer l’importance des énergies renouvelables particulièrement les énergies produites à partir des éoliennes. Le système éolien à base de machine asynchrone à double alimentation a été modélisé. mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 71

Grâce à la commande en puissance la qualité de l’énergie fournie au réseau est améliorée. Le contrôle permet un fonctionnement en mode VSCF(variable speed constant frequency) de la MASDA afin d’obtenir un contrôle de type MPPT. Comme ce travail a pu mettre en évidence les qualités intrinsèques d’une structure éolienne à base d’une MASDA qui est représenté par le contrôle de l’angle de calage. Ce contrôle permet de maintenir la puissance du dispositif à sa valeur nominale suite à une perturbation provoquée soit par un creux de tension ou un vent fort. L’impact des perturbations sur le système éolien nous a permis d’évaluer les capacités d’une éolienne durant le défaut. Ainsi nous pouvons conclure que la capacité de fourniture du réactif d’un tel dispositif, durant un creux de tension, est limitée mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 72

Perspectives Nous avons vu dans ce travail de thèse que les aérogénérateurs à base de MASDA peuvent participer au service système mais présentent une certaine limite lors de perturbations entre autre celles dues aux creux de tension. Donc une éventuelle réflexion peut être engagée surtout la partie électronique de puissance Comme le multiplicateur de vitesse est l’une des pièces qui présente le plus d’inconvénients pour les structures de conversion à base de MASDA. Par conséquent, revoir la conception du multiplicateur devient l’une des nécessités absolues afin de voir ces installations se généralisaient dans toutes les fermes éoliennes. mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 73

Perspectives Un autre point qui commence à faire son bout de chemin est l’insertion d’une source au stator permettant d’alimenter ce dernier lors de l’apparition d’un creux de tension. Ceci aura pour conséquence d’éliminer le problème de protection du convertisseur statique et du multiplicateur de vitesse mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 74

Thanmirth Merci de votre attention mardi 1 décembre 2020 Hakim Bekka 75