Conférence Tunisienne de Génie Electrique

CTGE’ 2004

Méthodologie de conception d’un système éolien en site isolé par l’outil Bond Graphs

SPM1: Communication N°3

Par : Ahmed HATTABJamel BELHADJ Xavier ROBOAM

Tunis-19, 20 et 21 Février 2004

Laboratoire des Systèmes Électriques (LSE-ENIT)

Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle (LEEI-CNRS-INPT)

Problématique d ’actualité : Énergies renouvelables

Méthodologie de Conception d’un Système de Production de l’énergie électrique au fil du vent

Énergie Éolienne GS

V, f

Vent (cinétique , aérodynamique ) / mécanique / électrique …..

Système pluridisciplinaires et complexe

PLAN DE L ’EXPOSE

Motivation du thème de recherche

Conclusions

Méthodologie de conception du système

Modélisation et analyse systémique du système

Performance du système éolien

Méthodologie de conception du système (1/2) 1/13

Système énergétique

Maximiser la puissance électrique récupérée

•Comportements aléatoires des sources renouvelables

•Plusieurs formes de l’énergie et multi-domaines

•Différentes échelles de temps ( vent , mécanique, électrique, …

•Des non-linéarités : sources , convertisseurs , charges…

Conception sous angles « approche système »

Formalisme Bond Graphs

Méthodologie de conception du système (2/2) 2/13

Caractéristiques du Formalisme Bond Graphs

Représentation énergétiqueTransfert de puissance au sein du système

Relation de cause à effet

Représentation unifiante (multi-domaines) pluridisciplinaires

Deux variables pour exprimer le transfert de puissance

Flux : f

Effort : e

A B

eA Bf

Éléments Stockage Irréversible Source

SymbolesC

IR

Sf

Se

Contrainte

0 , 1 , TF , MTF

GY MGY

Problématique Nationale : Balance énergétique

Potentiel éolien en Tunisie

3/13

Dépassant les 500 MW

900 kWh/m2/an dans certaines régions.

kcvvF exp1)(

k

cvk

cv

ckvp exp)( 1

Répartition du Weibull

Densité de probabilité

Motivation du thème de recherche

Présentation du système éolien en site isolé (2/10) 4/13

La chaîne de conversion éolienne

MS 3 ~Vent

Turbine Génératrice synchrone Redresseur à diode Accumulateurs

Plusieurs formes de conversion d’énergie

D1

D4

D3

D6

D5

D2

Transformation de l’énergie

Énergie cinétique

du vent

Source éolienne

32

1vSPvent

éolP

Pertes inertielles

Jv

Pertes par frottementf m

,mécaC

mécaP

,emC

Pertes d’efficacité Cp

,éolC ss IE ,

emP emPss IU ,

élecP

Conversionélectromagnétique

Pertes résistivesRs

v

Turbine éolienne Machine synchronePertes inductives

LsPertes

inertielles

Jm

2

2

1mvEc Puissance

disponible3ρAv

2

1P CpvR

2

1P 32

R

Macro modèle BG V

R .

Puissance récupérée

I:Jv I:JmI:Ls

Source

Vent1

R:Cp

Céole

Cméca

R: f m

1Cem

MGY

r R: Rs

1Es

Is

Us

Is

R: Charge

5/13

Modélisation de la source primaire

Description du vent : Vvent = Vbase + Vrampe + Vrafale + Vbruit

Vbase = VMoyenne = 7.42 m/s

Vrampe = Echellon de vitesse de 1 m/s

Vrafal = Vent rafale de courte durée de Vmax = 14.5 m/s

Vbruit = Perturbation haute fréquence de Vmin = 0.25 m/s

6/13

Modèle analytique du vent à partir duquel nous avons effectué les différentes simulations

t

Tt

Tt

Tt

Tt

Tt

Tt

TventV .200sin25.0.100sin5.0.60sin.20sin25.1.10sin5.1.6sin75.1.2sin242.7

Modélisation de la turbine éolienne (1/2)

Caractéristique de la turbine éolienne

Couple éolien ...)(C 23

p ooo cba

VRcVRbRaS vovovov ........C 22321eole

7/13

8/13

Modèle bond graph de la partie aérodynamique

Puissance Éolienne

Cméca

Couple Éolien

Vent

I : Jm

R : fm

1f e W

couple éolien

Le couple éolien est proportionnel à la puissance éolienne en valeur moyenne et en instantané (très variables)

Modélisation de la turbine éolienne (2/2)

Modélisation de la génératrice (1/2) 9/13

Modèle bond graph de la Géné Syn A . P

)sin(._.

)sin(._.

)sin(._.

.

343

322

1

élec

élec

élec

mécaélec

méca

aimantFluxpr

aimantFluxpr

aimantFluxpr

p

dt

élec

Cméca

Phase1V1

Phase2V2

phase3V3

Générateur_Phases

R :Rs

I :Ls

I :Ls

I :Ls

MGY

MGY

MGY

1

1

1

R :Rs

R :Rs

f

1

méca

Es1

Is1

Es2

Is2

Es3

Is3

r1

r2

r3

Mécanique / Électrique

Cem

MGYr1,2,3

Es

Is

10/13

•Amplitude constante

•Fréquence fixe

•Amplitude variable

•Fréquence variable

Vent moyen

Vent très variable

Modélisation de la génératrice (2/2)

11/13Modélisation du convertisseur statique

Modèle bond graph du convertisseur AC / DC

D1

D4

D3

D6

D5

D2

GS 3 ~Vbc

D1D2 D3D2 D3D4 D5D4 D5D6 D1D6

Vph1-Vph3 Vph2-Vph3 Vph2-Vph1 Vph3-Vph1 Vph3-Vph2 Vph1-Vph2

Deux interrupteurs fermés (deux diodes passantes) : ===> séquence

Vbc

Vph1

Vph2

Vph3

MTF

MTF

MTF 1m1

m3

m2

BG Elément de commutation

Change à la commutation

12/13Performances du système éolien

Vent moyen Vent instantané

Puissance électrique proportionnelle en valeur moyenne à la puissance éolienne

• Développement d’une source de puissance 600W ( 520W )• Paramètres primaires très variables en instantané: Puiss électr. lente• importance de l’analyse en moyenne et en instantané

Puissance électrique varie lentement en valeur instantanée % à la puissance éolienne : Filtres ( inerties du systèmes )

13/13Conclusions

Amélioration des performances énergétiques des systèmes hybrides avec PV

1. Une commande adéquate des convertisseurs d’adaptation (MPPT éolienne) pour l’optimisation de l’énergie électriques.

2. Augmenter le nombre des éoliennes (sites isolés )

3. Possibilité de l’intégration du système au réseau électrique national: impact , taux de pénétration, étude technico-économique…

Méthodologie de Conception d’un Système Éolien en site isolé par BG

Modélisation systémique (Vent- Puissance électrique ) d’un système éolien en site isolé à VV : Analyse instantané et en moyenne