Ecole Nationale Supérieure des SciencesAgro- Industrielles

Département de Génie Energétique, Electrique et Automatique(GEEA)

COURS : méthodologie de la recherche

Rédigé par : HOUMBAK Josselin

Master II :Spécialité : Ingénierie des Equipements Agro-Industriels

Option : Informatique Electronique et Automatique (IEA)

EncadreursDirecteur de thèse

Pr. Laurent Bitjoka, ENSAI, Université de Ngaoundéré, CamerounSujet Proposé et codirigé par :

Joseph Song-Manguelle, Ph.D., ExxonMobil Development, Houston, TX, USAG. Ekemb, Université de Chicoutimi, Québec, Canada

Supervisé par :Dr. EDOUN Marel

Université de Ngaoundéré/ENSAI de Ngaoundéré

REPUBLIC OF CAMEROON***********

Peace – Work – Fatherland***********

MINISTRY OF HIGHER EDUCATION

UNIVERSITY OF NGAOUNDERE

REPUBLIQUE DU CAMEROUN***********

Paix – Travail – Patrie***********

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENTSUPERIEUR

UNIVERSITE DE NGAOUNDERE

ANALYSE ET SIMULATION D’UN SYSTEME DE VARIATION DE

VITESSE POUR DES APPLICATIONS PETROLIERES SOUS-

MARINES AVEC MOTEUR A AIMANT PERMANENT

Année académique 2013-2014

1

CONTEXTE

Les progrès technologiques en matière d'exploration, notamment l'imagerie sous des formations qui

généralement font écran (sel, basalte, etc.), ou en géologie complexe, ont rendu possible la mise à jour de

nouvelles réserves offshore (figure 1).Ces découvertes sont cependant de tailles de plus en plus modestes et

à des profondeurs d'eau de plus en plus grandes. Leur mise en développement représente un défi à la fois

technologique et économique. Il est technologiquement possible de forer des puits par >3 000 m d'eau pour

atteindre des réservoirs très enfouis. Les coûts de forage sont de plusieurs dizaine de millions de dollars

(Craig et Islam 2010)[2].

Figure 1: Évolution depuis 1940 de la profondeur d'eau des forages d'exploration et dedéveloppement (Source : Offshore Magazine 2011)

MOTIVATIONS

Les prévisions de demande énergétique globale dans le monde montrent que d’ici 2040, [1] :

La consommation énergétique résidentielle et commerciale augmenteront de près de 30%,

La consommation énergétique due aux systèmes de transport augmentera de près de 40% cette

l’augmentation nette de la demande de pétrole est imputable au secteur des transports dans les

économies émergentes car la croissance économique stimule la demande de mobilité

individuelle et de transport de marchandises.,

La demande énergétique industrielle suivra la même tendance d’augmentation.

Ces mêmes prévisions montrent que plus de 85% de cette augmentation énergétique sera due à

l’amélioration du standard de vie des pays émergents et des pays pauvres. Les hydrocarbures grâce à leur

forte densité énergétique (quantité d’énergie dans un gallon d’hydrocarbures), devront continuer à jouer un

rôle crucial parmi les différentes sources d’énergie existantes. Le développement de réservoirs offshore

toujours plus difficiles à atteindre et à exploiter (éloignement, profondeur, froid, etc.) a fait de l’efficacité

énergétique une priorité pour pallier l’augmentation considérable des besoins d’énergie nécessaires à la

2

remontée de l’huile, à son pompage, à l’injection de gaz et eau sous pression, à la liquéfaction du gaz, etc.

En moyenne, 11% de la production des puits sont engloutis, avant même d’être commercialisés, [7][6]

Afin de garantir une production pétrolière suffisante, il devient nécessaire d’explorer, et si possible,

d’exploiter des réservoirs d’hydrocarbures difficilement accessibles. Parmi ses réservoirs, ceux localisés

dans l’antarctique ont attiré une attention particulière aux cours des années précédentes. Ceux situés dans le

golfe de guinée (côte ouest-africain) et ceux localisés aux côtes est africains (Tanzanie, Mozambique etc),

semblent également promoteurs.

PROBLEMATIQUE

L’exploitation des futurs réservoirs entrainent de nouveaux défis technologiques :

Compte tenu de leur localisation physique, la puissance totale installée pourra être supérieure à 100

MW (plusieurs compresseurs et pompes)

La transmission d’une telle puissance électrique à des distances supérieures à 100 km

La distribution de l’énergie électrique aux charges électrique à des profondeurs de plus de 3000m, où

la pression est de plusieurs centaines de bars.

Les équipements comme les transformateurs, disjoncteurs de distribution, variateurs de vitesse et

moteur devront désormais fonctionner sous la mer avec le minimum de maintenance et une très

grande fiabilité.

a) La figure 2-a montre l’architecture basée sur la transmission à courant alternatif. Dans une telle

configuration, la génératrice localisée sur une plateforme ou sur la côte produit l’énergie à

transmettre à travers un câble AC haute tension, et distribuée aux charges, elles-mêmes alimentées

chacune par un variateur de vitesse. Cette architecture est la mieux indiquée pour un champ

d’exploitation de plusieurs charges, et peut être utilisée pour des distances entre le point de

production et les charges, allant jusqu’à 125km. La distance de transmission étant limitée par les

condensateurs équivalents du câble de transmission, nécessitant un courant de charge et engendrant

des pertes énergétiques par courant réactif [4]

3

b) La figure 2-b montre une architecture de transmission en courant continu et une distribution en

courant alternatif, qui pourrait être utilisée pour des distances de plusieurs centaines de km. Elle

exige des stations de conversion à la fois sur la plateforme et sous la mer. Hors les dimensions

physiques et le poids des convertisseurs sous-marins rendre l’installation quasi-impossible, sur la

base des équipements existant actuellement. En réalité aucune installation sous-marine n’a jamais été

mise en œuvre avec une telle architecture [2][9].

c) La figure 2-c montre un exemple d’architecture de transmission en courant continu et une

distribution en courant continu, utilisable pour de très longues distances. [7][10].

La figure 3, montre une possible disposition des équipements sur le sol de la mer, avec une transmission et

une distribution en courant alternatif [5].

Figure 3 : Exemple de future distribution de l’énergie sous la mer

OBJECTIFS:

L’objectif général

La transmission et la distribution de l’énergie électrique à une charge sous-marine de type pompe pour des

applications sous-marines, dont les charges sont situées entre 500 et 3000m sur le sol de la mer, et dont la

distance des côtes est de l’ordre de 125 km

Les objectifs spécifiques:

Faire la synthèse des techniques de transmission et distribution de l’énergie électrique sous la mer,

pour des charges électriques fonctionnant à vitesse continument variable.

Faire la synthèse des topologies de convertisseurs multi niveaux utilisée dans la variation

électronique de vitesse : Architecture, dimensionnement pour une application donnée, stratégies de

commande et vérification des principes opérationnels par simulation dans Matlab/Simulink

Faire une étude comparative des machines asynchrone et des machines synchrone a aimant

permanent : Principe de fonctionnement, technologie, rendement et degré de difficulté des

commande.

Simulation du système sous investigation : Dimensionnement et choix des équipements, validation

du fonctionnement par simulation, y compris plusieurs modes de fonctionnement.

4

HYPOTHESES:

Hypothèse 1 : Il est supposé que, pour un câble donné, la tension de la transmission du système est de 80 %de la tension nominale câble.

Hypothèse 2 : les distributions énergétiques à plus de 50km sous la mer ne sont pas possible en AC pourdistribue 125km il faut utiliser le courant continue.

Hypothèse 3 : La variation de la tension acceptable est de ± 10 % de sa tension de transmission (tensionnominale évalué).

Hypothèse 4 La tension de fin de réception est maintenue constante à1.0 P.U. Selon la distance et lesystème de transmission

METHODOLOGIES:

comprendre les différentes solutions techniques qui permettraient la transmission et la distribution de

l’énergie à des charges électriques installées sur le sol de la mer.

Il analysera chacune des configurations, et comprendra pour un champ de production fictif, les défis

auxquels font face des ingénieurs.

comprendra les principes de conversion électronique multi niveaux destinées à la variation de vitesse

des machines électriques tournantes à courant alternatif de forte puissance.

étude les différentes topologies de ces convertisseurs, faire une synthèse de leur commande et

vérifiera par simulation, le principe de fonctionnement de la topologie sous investigation.

L’implémentation du système à simuler se fera probablement dans Matlab/Simulink

faire une synthèse de la technologie de construction des différentes machines électriques,

développer un modèle de la machine à aimant permanent en régime transitoire, en utilisant la

transformation de Park.

ressortir la difficulté de la commande sans capteur d’une telle machine,

Expliquer les différentes méthodes de reconstruction permettant de connaitre la position du rotor de

ce type de machine.

Enfin, implémenter et fera des analyses qualitative et quantitative du système sous investigation.

MATERIELS:

Ordinateurs

Matlab/Simulink

METHODES:

simulations

Analyse comparative

5

Code et commande des convertisseurs ;

Généré les triangles de commande

RESULTATS:

Taux de distortion harmonique Spectre des différents courants et tensions aux bornes de a charge Les phraseurs spatiaux des tensions des convertisseurs

Références

1. IEA, International Energy Agency, World Energy Outlook 2009.

2. C. Craig, M. Islam, Integrated power system design for offshore energy vessels & deep water drilling rigs,IEEE-PCIC conf. Sep. 20-22, 2010, San Antonio, TX.

3. S. Rocke, Subsea power transfer, what is the challenge, SPE Applied technology workshop, Technology forthe next generation subsea systems, Feb. 11, 2003, Oslo, Norway

4. H. Baerd, T. Normann, T. Hazel, Ormen Lange Subsea Compression Station Pilot, IEEE –PCIC Europe, June15-17,2012

5. J. Song-Manguelle, M. Harfman-Todorovic, et al., Power Transfer Capability of HVAC Cables for SubseaTransmission and Distribution Systems, IEEE Trans. On Industry Application, Jul/Aug2014

6. R. R. Andersen, HVDC Transmission – Opportunities and Challenges, IEE AC and DC Power transmissionconf., ACDC Mar. 28-31, 2006, Savoy Place, London, UK.

7. J. Song-Manguelle, M. Harfman-Todorovic, et al., “Modular Stacked DC power transmission and distributionfor subsea applications”, 4th IEEE-IAS- Energy Conversion Conference & Exhibition (ECCE), Raleigh, NC,USA, Sept. 2012.

8. P. W. Hammond, A new approach to enhance power quality for medium voltage AC drives, IEEE Trans. onIndustry Application vol. 33, no. 1, , pp. 202-208, Jan. Feb. 1997

9. N. Schibli, T. Nguyen, A. Rufer A Three-Phase Multilevel Converter for High-Power Induction Motors,IEEE Trans. on Power Electronics., vol. 13, no. 5, pp. 978-986, Sept. 1998.

10. P. W. Hammond, Enhancing the reliability of modular medium-voltage drives, IEEE Trans. Industrial.Electronics, vol. 9 no. 5, pp. 948 - 954, Oct. 2002.

11. C. Ifrim, T. Hollingsaeter, H. B. Ulvestad, L. Scheneider, S. Cheng, Implementation and long-step sensorlesscontrol of Permanent magnet synchronous machines for subsea application, Proc. Of the 42ndTurbomachineryand 29thInternational Pump Users symposium, Houston, TX, Oct. 1-3, 2013

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