THÈSE DE DOCTORAT Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l ...

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THÈSE DE DOCTORAT SPECIALITE : PHYSIQUE Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des Télécommunications et des Systèmes » Présentée 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 Systèmes de Conversion Eoliens .............................................................................. 5 1.1 Introduction ........................................................................................................... 5 1.1.1 Bilan Energétique Mondial ........................................................................... 6 1.1.1.1 Les Utilisations de l’Energie Primaire ...................................................... 6 1.1.1.2 La Production d’Electricité ....................................................................... 6 1.1.1.3 Le Secteur Résidentiel et Tertiaire ............................................................ 8 1.1.1.4 l’Industrie .................................................................................................. 8 1.1.1.5 Le Transport .............................................................................................. 9 1.1.1.6 Une Concurrence Inter Energétique .......................................................... 9 1.1.2 Energie et Environnement ............................................................................. 9 1.1.2.1 L’impact de la Consommation d’Energie sur l’Environnement ............. 10 1.1.3 Génération Distribuée de l’Electricité ..................................................... 11 1.1.4 Les Energies Renouvelables ........................................................................ 12 1.1.4.1 Hydraulique ............................................................................................. 14 1.1.4.2 Photovoltaïque ......................................................................................... 15 1.1.4.3 l’Eolien .................................................................................................... 15 1.1.4.4 Environnement et Coût des Energies Renouvelables .............................. 16 1.2 Classement des Turbines Eoliennes .................................................................... 18 1.2.1 Turbines Eoliennes à Axe Horizontal (HAWT) .......................................... 18 1.2.2 Turbines Eoliennes à Axe Vertical (VAWT) .............................................. 20 1.3 Boite de Vitesses ................................................................................................. 21 1.4 Générateurs .......................................................................................................... 22 1.4.1 Générateur Asynchrone (IG) ....................................................................... 23 1.4.1.1 Générateur Asynchrone à Cage d’Ecureuil (SCIG) ................................ 23 1.4.1.2 Générateur Asynchrone à Rotor Bobiné (WRIG) ................................... 23 1.4.2 Générateur Synchrone (SG) ........................................................................ 25 1.4.2.1 Générateur Synchrone à Rotor Bobiné (WRSG) .................................... 25 1.4.2.2 Générateur Synchrone à Aimants Permanents (PMSG) ......................... 26 1.4.3 Autres Générateurs ...................................................................................... 26 1.4.4 Types de Machines Electriques pour les Petites Eoliennes ..................... 27 1.5 Systèmes de Stockage pour la production d’électricité ....................................... 30 1.5.1 Types de Stockage d’Energie .................................................................. 30 1.6 Applications des Turbines Eoliennes .................................................................. 31 1.6.1 Systèmes de Puissance Isolés et Emploi de l’Energie Eolienne ................. 31 1.6.1.1 Systèmes Hybrides avec Technologie Eolienne ...................................... 33 1.6.1.2 Systèmes Hybrides
inDiesel ............................................................. 36 ii 1.6.1.3 Evolution de l’éolien dans les sites isolés ............................................... 37 1.6.1.4 Systèmes et Expérience ........................................................................... 39 1.6.1.5 Expérience sur les Systèmes de Puissance Hybrides .............................. 40 1.6.2 Systèmes Eoliens Connectés à des Grands Réseaux ................................... 43 1.6.2.1 Systèmes Distribués ................................................................................ 43 1.6.2.2 Parcs Eoliens ........................................................................................... 44 1.7 Tendances ............................................................................................................ 46 1.7.1 Système Mécanique ..................................................................................... 46 1.7.2 Système Electrique ...................................................................................... 47 1.7.3 Intégration de l’Energie Eolienne et Nouvelles Applications ..................... 47 1.8 Conclusion ........................................................................................................... 48 2 Optimisation d’un Système de Conversion Eolien ............................................... 49 Nomenclature .............................................................................................................. 49 2.1 Introduction ......................................................................................................... 50 2.2 Système de Génération Eolien Sans Electronique de Commande ...................... 50 2.2.1 Modèle du Système ..................................................................................... 51 2.2.1.1 Système Mécanique ................................................................................. 52 2.2.1.2 Système Electrique .................................................................................. 54 2.2.1.3 Paramètres du Système ............................................................................ 59 2.3 Problème d’Optimisation .................................................................................... 63 2.3.1 Contraintes .................................................................................................. 64 2.3.2 Résultats de l’Optimisation ......................................................................... 66 2.3.3 Sélection d’une paire (M, u ) unique .......................................................... 71 S 2.4 Adaptation du Problème d’Optimisation............................................................. 72 2.4.1 Résultats ...................................................................................................... 76 2.5 Conclusion ........................................................................................................... 80 3 Commande du Système de Conversion Eolien ..................................................... 81 3.1 Introduction ......................................................................................................... 81 3.2 Systèmes de Génération Eoliens Commandés .................................................... 83 3.2.1 Commande Aérodynamique du Rotor ......................................................... 84 3.2.1.1 Commande de l’Angle d’Attaque de la Pale (Blae Pith Control) ....... 86 3.2.1.2 Régulation à Angle Fixe (Passive tall Control) .................................... 87 3.2.1.3 Commande Stall Active (Ative tall Control) ....................................... 88 3.2.1.4 Commande d’Orientation ........................................................................ 88 3.2.2 Commande du Système Electrique ............................................................. 89 3.2.2.1 Systèmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes à Pales Ajustables ................................................................................................ 90 3.2.2.2 Systèmes de Vitesse Variable avec des Turbines Eoliennes à Pales Fixes ........................................................................................................ 92 3.2.2.3 Structure de Puissance Proposée ............................................................. 97 3.2.2.4 Stratégie de Commande Proposée ........................................................... 99 3.2.2.5 Résultats ................................................................................................ 105 3.4 Conclusion ......................................................................................................... 112 iii 4 Méthode Analytique d’Evaluation des Pertes dans les Convertisseurs de Puissance ...................................................................................................................... 113 Nomenclature ............................................................................................................ 113 4.1 Introduction ...................................................................................................... 114 4.2 Méthode Proposée ............................................................................................ 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 .........