Stratégies de commande et réglage des bus continus dédiés aux systèmes de production d'énergies éolienne et solaire

2.2 ARCHITECTURE RETENUE POUR L'ETUDE

L'architecture générique que l'on rencontre le plus souvent dans des nombreux systèmes de conversion d'énergie éolienne et solaire, actuels, peut être comparée au synoptique suivant :

Fig. 2.8. Source d'énergie couplée au réseau avec un bus continu intermédiaire

Cette configuration réunit tous les problèmes posés par le bus continu dans une chaîne de conversion d'énergie éolienne et solaire.

Nous allons dorénavant restreindre notre étude au cas d'un système (fig.) de production d'énergie éolienne ou solaire avec un bus continu intermédiaire.

2.3 DESCRIPTION DU SYSTEME A ETUDIER

Le système sur lequel porte notre étude est rappelé par le schéma fonctionnel suivant :

Fig.2.9 Architecture générique de conversion d'énergie éolienne ou solaire

La chaîne de conversion proposée est composée de 4 blocs essentiels formant un ensemble ordonné de fonctions :

· La source principale englobe les générateurs solaires et éoliens associés à une conversion statique d'énergie. Elle est raccordée au réseau alternatif au moyen d'un système de deux convertisseurs à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) liés entre eux par un noeud électrique appelé Bus Continu.

· Le premier convertisseur (côté source) est sensé transférer continue et sans variation la tension extraite de la source vers le bus continu.

· le bus continu est le circuit intermédiaire sur lequel la gestion et le contrôle de flux d'énergie du système doivent se faire.

· Le second convertisseur (uniquement onduleur) connecte le bus continu au réseau alternatif et permet de contrôler les échanges de puissance active et réactive avec le réseau.

Le contrôle de la tension du bus continu sera particulièrement étudié en relation avec le transit de puissance entre la source et le réseau.

Stratégie de commande et réglage du bus continu dédiée aux systèmes de production d'énergie éolienne et solaire

13

2.4 DESCRIPTION DES DIFFERENTES PARTIES DU SYSTEME

2.4.1 LES SOURCES D'ENERGIE DU SYSTEME

Les sources d'énergie sont les principaux générateurs d'électricité. Elles doivent délivrer une puissance de valeur égale à celle de la puissance moyenne nécessaire pour accomplir la (les) mission(s) typique(s) du système.

Parmi les sources d'énergie, nous pouvons citer :

· les aérogénérateurs associés à l'énergie éolienne,

· les cellules photovoltaïques associées à l'énergie solaire.

2.4.1.1 LES AEROGENERATEURS

Les aérogénérateurs (éoliennes par abus de langage) sont les sources énergétiques des systèmes éoliens. Ils capturent l'énergie cinétique des vents de surface et la convertissent en électricité.

Pour ce faire, elles ont besoin de trois composants de base : des pales, un arbre et une génératrice. Lorsque le vent se déplace sur les pales de l'éolienne, il provoque une sustentation qui fait tourner les pales qui mettent en mouvement un arbre déplaçant des aimants de la génératrice, qui crée à son tour de l'électricité. Cette électricité peut être utilisée sur place en flux continu mais elle peut être stockée et pompée vers un réseau électrique grâce à des véhicules électriques (convertisseurs statiques, stockage...).

14

Stratégie de commande et réglage du bus continu dédiée aux systèmes de production d'énergie éolienne et solaire

Fig. 2.10. Eoliennes à axe horizontal Fig.2.11. Eoliennes à axe vertical

Stratégie de commande et réglage du bus continu dédiée aux systèmes de production d'énergie éolienne et solaire

2.4.1.1.1 Formule pour calculer l'énergie produite par un aérogénérateur

Nous pouvons déterminer aisément l'énergie électrique produite par un aérogénérateur

connaissant sa surface et le vent qui le traverse.

Pour ce faire, considérons une éolienne dont les pales ont un rayon r [m] ; traversée par une

masse d'air m [kg], de vitesse v [m/s] et de densitéd [kg/m³].

m = ð * r * e * d , avec d=1,225 kg/m³ (densité de l'air) et e distance parcourue.

²

L'énergie cinétique E_c (en joule) du vent est la demi-masse fois la vitesse au carré :

E = 1 mv² = 1 *ð *r² *e*d*v²

c 2 2 (2.1)

La puissance p (en watt) est la quantité d'énergie par seconde, or, e par seconde = v.

Ainsi p=2*ð* r²*v*e*d*v² (2.2)

La puissance absolue p_a par l'éolienne est :

p_a =1.924 * r * v

2 3 (2.3)

Toutefois, toute l'énergie ne peut être captée. La vitesse du vent n'est pas nulle après son passage dans l'éolienne !

Tenant compte de l'aérodynamique, la puissance maximale p_MAX d'une éolienne est donnée 16

par la formule de Betz ( MAX

p = p ) : p_a = 1.14 * r * v

2 3 (2.4)

a

27

Soit p ? 0.363 * v 3 (2.5)

MAX/m²

La puissance pratique _pprat d'une éolienne est inférieure _àpMAX . Ceci est dû au fait que, du vent à la distribution sur le réseau, il y a plusieurs étapes de conversion d'énergie, chacune avec son propre rendement :

Hélice (85%), multiplicateur (95%), générateur (98%), transformateur (98%) - redresseur (98%), stockage, distribution.

Bref, le rendement optimal est de 70 à 60%. Cependant, en pratique, tous les organes ne sont pas à leur rendement maximum en même temps, ce qui réduit encore le rendement global. On considère celui entre 55 - 50% pour une éolienne « industrielle » et 40 - 25 % pour une éolienne « artisanale » :

· éolienne industrielle : =

pprat 0.627 * r * v

2 3 (2.6)

· éolienne artisanale : =

pprat 0.456 * r * v

2 3 (2.7)

15