T H E S E. Présentée à

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R é p u b l i q u e A l g é r i e n n e D é m o c r a t i q u e e t P o p u l a i r e M i n i s t è r e de l E n s e i g n e m e n t S u p é r i e u r et de la R e c h e r c h e S c i e n t i f i q u e
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R é p u b l i q u e A l g é r i e n n e D é m o c r a t i q u e e t P o p u l a i r e M i n i s t è r e de l E n s e i g n e m e n t S u p é r i e u r et de la R e c h e r c h e S c i e n t i f i q u e T H E S E Présentée à L U N I V E R S I T É B A T N A 2 F a c u l t é d e T e c h n o l o g i e D é p a r t e m e n t d ' E l e c t r o t e c h n i q u e En vue de l obtention du diplôme de D O C T O R A T E N S C I E N C E S E N E L E C T R O T E C H N I Q U E Option - Commande Electrique par ROUABHI RIYADH Magister en Electrotechnique Université de Sétif Ingénieur d'etat en Electrotechnique Université de M'sila Contrôle des puissances générées par un système éolien à vitesse variable basé sur une machine asynchrone double alimentée Thèse soutenue le : 01 / 12 / 2016 devant le jury : Said BENAGGOUNE Président Maître de Conférences Univ. Batna 2 Rachid ABDESSEMED Rapporteur Professeur Univ. Batna 2 Youcef HARBOUCHE Examinateur Maître de Conférences Univ. Batna 2 Aissa CHOUDER Examinateur Maître de Conférences Univ. M sila Tarak BENSLIMANE Examinateur Maître de Conférences Univ. M sila Leila BENALIA Examinateur Maître de Conférences Univ. M sila لو عرض كتاب سبعين مرة لوجد فيه خطا أبى هللا أن يكون صحيحا غير كتابه Remerciements Avant tout, je remercie هلل, le tout puissant de nous avoir donné le courage, la volonté, la patience, et la santé durant toutes ces longues années d études. J adresse mes sincères remerciements à touts mes enseignants de L université de BATNA, notamment à mon promoteur Mr. ABDESSEMED Rachid, Professeur à l Université de BATNA 2, d'avoir proposé le sujet sur lequel j ai travaillé, et qui a assuré la direction et l'encadrement du travail présenté dans cette thèse. Je tiens ensuite à remercier Mr Said BENAGGOUNE, Maitre de conférences A à l Université de Batna 2, pour l honneur qu il me fait en acceptant la présidence du jury de cette thèse. Mes remerciements s adressent également à Mrs: Aissa CHOUDER, Maitre de conférences A à l Université Mohamed Boudiaf de M Sila, Mr Tarak BENSLIMANE Maitre de conférences A à l Université Mohamed Boudiaf de M Sila, Mm Leila BENALIA Maitre de conférences A à l Université Mohamed Boudiaf de M Sila et Mr Youcef HARBOUCHE, Maitre de conférences A à l Université de Batna 2, qui ont bien voulu me faire l honneur d examiner ce travail et d être membres du jury. Mes sincères remerciements s adressent également à mes collègues : Mr BELHOUANE azzeddine et Mm BENADJAAI Salima ingénieurs au laboratoire de Génie Electrique à l Université de M Sila pour leurs aides inestimables pendant la rédaction de cette thèse, ainsi que leurs conseils et leurs encouragements pour achever ce travail. Cette page ne serait être complète sans remercier et dédier mes meilleurs amies : A. Mefadjakh, H.Zaoui, K.Charik,Y. Batka, H. Zouglache, M. Bourezg, M. Benaadel, B. Blaissag, O. Moussa, M. Baiter, B. Bakri pour leur soutien moral. Enfin, mes remerciements vont à tous ceux qui m'ont soutenu de prés ou de loin à réaliser ce travail. Mes vives salutations. Dédicaces بسم هلل والصالة والسالم على رسول هللا صلى هلل عليه وسلمأما بعد : إلى الوالدين العزيزين الكريمينحفظھما هللا أبنائي. إلى روابحي أريج فراحتية إقبال لشطر عمران إلى أختي و أوالدها, وأخي وزوجته إلى جميع األصدق اء والزمالء لكمجميعا الشكر الجزيل. R.Rouabhi SOMMAIRE SOMMAIRE... I LISTE DES FIGURES... II LISTE DES SYMBOLES...III INTRODUCTION GÉNÉRALE... V1 CHAPITRE I : ETAT DE L'ART SUR LES SYSTEMES DE CONVERSION D ENERGIE ÉOLIENNE. I.1 INTRODUCTIO... 5 I.2 APERÇU SUR L ENERGIE EOLIENNE... 5 I.2.1 Historique... 5 I.2.2 Energie éolienne en quelques chiffres... 6 I.2.3 Avantages et inconvénients de l énergie éolienne... 8 I.3 APERÇU SUR LES AEROGENERATEURS EOLIENNES... 9 I.3.1 Aérogénérateur (éolienne)... 9 I.3.2 Différents types d éoliennes...10 I.3.3 Connexions d eolienne...15 I.4 REGULATION MECANIQUE DE LA PUISSANCE D UNE EOLIENNE I.4.1 Contrôle par angle de calage variable (pitch control)...16 I.4.2 Contrôle par décrocharge aérodynamique passif (passive stall)...16 I.4.3 Contrôle par décrocharge aérodynamique actif...16 I.5 TECHNOLOGIES DES SYSTEMES EOLIENS I.5.1 Eoliennes à vitesse fixe...17 I.5.2 Eoliennes à vitesse variable...18 I.6 ETAT DE L ART SUR LES SYSTEMES DE CONVERSION ELECTROMECANIQUE I.6.1 Systèmes utilisant la machine asynchrone...19 I Machine asynchrone à cage d'écureuil...20 I Machine asynchrone à double stator...21 I Machine asynchrone à double alimentation type rotor bobiné ...21 I Machine asynchrone à double alimentation type brushless ...22 I.6.2 Systèmes utilisant la machine synchrone...23 I Machine synchrone à rotor bobiné...23 I Machine synchrone à aimants permanents...24 I.6.3 Systèmes utilisant les machines à structures spéciales...25 I Machine à réluctance variable pure...25 I Machine à réluctance variable Vernier...26 I Machine à réluctance variable hybride...26 I.7 ETAT DE L ART SUR LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION I.7.1 Déscription de fonctionnement de la MADA...26 I Structure de la MADA...26 I Mode de fonctionnement de la MADA...27 I.7.2 Les differentes configurations de la MADA à rotor bobiné...29 SOMMAIRE I Configuration pour un mode moteur...29 I Configuration pour application en génératrice...31 I.7.3 Les applications des machines asynchrones à double alimentation...34 I.7.4 Avantages et inconvénients de la MADA...35 I.8 CONCLUSION CHAPITRE II : MODELISATION DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE BASEE SUR UNE MADA. II.1 INTRODUCTION II.2 MODELISATION DE LA TURBINE ET DE SA COMMANDE II.2.1 Modelisation de la turbine éolienne...39 II Source primaire : le vent...39 II La conversion aérodynamique...40 II L équation dynamique de la turbine...42 II.2.2 Techniques de commandes de la turbine éolienne...44 II Caractéristique de puissance...44 II Commande dans la zone I (optimisation de la puissance)...45 II Technique d extraction du maximum de la puissance (MPPT)...45 II Commande indirecte de la vitesse...46 II Commande dans la zone III (limitation de la puissance)...47 II Système d orientation des pales...47 II Régulation du système d orientation des pales «pitch control»...48 II.2.3 Résultats de simulation...49 II.2.4 Interprétation des résultats...50 II.3 MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION II.3.1 Hypothèses simplificatrices...50 II.3.2 Equations mathématiques de la MADA dans le repère (abc)...50 II Equations électriques...51 II Equations magnétiques...51 II Equations mécaniques...52 II.3.3 Transformation de Park...53 II.3.4 Equations mathématiques de la MADA dans le repère (dq)...53 II Equations électriques...54 II Equations magnétiques...55 II Equation du couple électromagnétique...55 II.3.5 Choix de repère de référence de Park...56 II.3.6 Modèle d état de la MADA...56 II.3.7 Résultats de simulation numérique du système...57 II Fonctionnement moteur...57 II Interprétation des résultats...58 SOMMAIRE II Fonctionnement générateur...58 II Interprétation des résultats...60 II.4 MODELISATION ET COMMANDE DU CONVERTISSEUR BIDIRECTIONNEL II.4.1 Modélisation et technique de commande du convertisseur côté machine...61 II Modélisation du convertisseur côté machine...61 II Commande par modulation de largeur d impulsion...63 II.4.2 Modélisation et technique de commande du convertisseur côté réseau...64 II Modélisation du convertisseur côté réseau...64 II Contrôle du convertisseur côté réseau...66 II.4.3 Résultats de simulation du convertisseur bidirectionnel...69 II.4.4 Interprétation des résultats...70 II.5 CONCLUSION CHAPITRE III : COMMANDE VECTORIELLE ET MODE GLISSANT DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE. III.1 INTRODUCTION III.2 COMMANDE VECTORIELLE DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE III.3 MODELE DE LA MADA A FLUX STATORIQUE ORIENTE III.3.1 Relations entre les courants statoriques et rotoriques...73 III.3.2 Relations entre les puissances statoriques et courants rotoriques...73 III.3.3 Relations entre les tensions et courants rotoriques...74 III.3.4 Etablissement des angles nécessaires aux transformations...74 III.3.5 Type de régulateurs utilisés...75 III.3.6 Les différentes techniques de la commande vectorielle...75 III Commande directe...75 III Commande indirecte...76 III Commande indirecte sans boucle de puissance...76 III Commande indirecte avec boucle de puissance...77 III.4 COMMANDE PAR MODE GLISSANT DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE III.5 CONCEPTION DE L ALGORITHME DE COMMANDE PAR MODE GLISSANT III.5.1 Choix des surfaces de glissement...79 III Régime glissant idéal...80 III Régime glissant réel...80 III.5.2 Conditions d existence et de convergence du régime glissant...80 III Approche directe...81 III Approche de Lyapunov...81 III.5.3 Détermination de la loi de commande...81 III.6 ELIMINATION DU PHENOMENE DU BROUTEMENT (CHATTERING) III.6.1 Proposition de Slotine...84 SOMMAIRE III.6.2 Proposition de Harshima...85 III.7 DIFFERENTES STRUCTURES DU CONTROLE PAR MODE DE GLISSEMENT III.7.1 Structure par commutation au niveau de l organe de commande...86 III.7.2 Structure par commutation au niveau d une contre réaction d état...86 III.7.3 Structure de régulation avec ajout de la commande équivalente...87 III.8 APPLICATION DE LA COMMANDE PAR MODE GLISSANT A LA MADA III.8.1 Modéle de la génératrice asynchrone double alimentation GADA...88 III.8.2 Choix des surfaces de glissements...88 III.8.3 Conditions de convergences...89 III.8.4 Loi de commande par mode glissant...89 III.9 RESULTATS DE SIMULATION POUR LES DEUX COMMANDES VECTORIELLE ET MODE GLISSANT III.9.1 Résultats de simulation numérique du système pour une vitesse fixe...92 III.9.2 Interprétation des résultats...93 III.9.3 Résultats de simulation numérique du système globale...94 III.9.4 Interprétation des résultats...98 III.10 CONCLUSION CHAPITRE IV : COMMANDE PAR LA LOGIQUE FLOUE ET BACKSTEPPING DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE. IV.1 INTRODUCTION IV.2 COMMANDE PAR LA LOGIQUE FLOUE DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE IV.3 NOTIONS FONDAMENTALES DE LA LOGIQUE FLOUE IV.3.1 Ensembles flous IV.3.2 Fonctions d appartenances IV.3.3 Caractéristiques d un sous ensemble flou IV.3.4 Variables linguistiques IV.3.5 Opérateurs logiques flous IV.3.6 Implication floue IV.4 STRUCTURE D UNE COMMANDE A LOGIQUE FLOUE IV.4.1 Fuzzification IV.4.2 Règles de contrôle IV.4.3 Inférence des règles floues IV.4.4 Défuzzification IV.5 APPLICATION DE LA COMMANDE PAR LA LOGIQUE FLOUE A LA MADA IV.5.1 Comportement du système IV.5.2 Structure de base d un contrôleur flou de courant SOMMAIRE IV.6 COMMANDE PAR BACKSTEPPING DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE IV.7 NOTIONS DE BASES SUR LA STABILITE DES SYSTEMES NON LINEAIRES IV.8 METHODES D ANALYSE DE LA STABILITE DES SYSTEMES IV.9 SYNTHESE DE LA COMMANDE PAR LA METHODE DIRECTE DE LYAPUNOV IV.10 TECHNIQUE DE COMMANDE PAR BACKSTEPPING IV.10.1 Algorithme de base IV.10.2 Cas des systèmes d ordre n IV.11 APPLICATION DE LA COMMANDE PAR LA BACKSTEPPING A LA MADA IV.11.1 Modéle de la génératrice asynchrone double alimentation IV.11.2 Synthèse de la loi de commande IV.12 RESULTATS DE SIMULATION POUR LES DEUX COMMANDES LOGIQUE FLOUE ET BACKSTEPPING IV.12.1 Résultats de simulation numérique du système pour une vitesse fixe IV.12.2 Interprétation des résultats IV.12.3 Résultats de simulation numérique du système globale IV.12.4 Interprétation des résultats IV.13 CONCLUSION CHAPITRE V : ETUDE COMPARATIVE DES TECHNIQUES DE COMMANDE DEVELOPPEES. V.1 INTRODUCTION V.2 ETUDE COMPARATIVE ENTRE LES TECHNIQUES DE COMMANDE PROPOSEES V.2.1 Comparaison qualitative V Pour une vitesse fixe V Pour une vitesse variable V.2.2 Comparaison quantitative V.2.3 Comparaison robustesse V.3 CONCLUSION CONCLUSION GENERALE BIBLIOGRAPHIE ANNEX LISTE DES FIGURES CHAPITRE I : ETAT DE L'ART SUR LES SYSTEMES DE CONVERSION D ENERGIE ÉOLIENNE. Figure I-1 : Puissance des installations éoliennes (MW) à l echelle mondiale...06 Figure I-2 : Repartition de la puissance installée dans le monde...07 Figure I-3 : Correspondance taille et puissance des eoliennes...09 Figure I-4 : Structure de SAVONIUS...10 Figure I-5 : Structure de DARRIEUS...11 Figure I-6 : Aérogenerateur à axe horizontal...12 Figure I-7 : Schéma interne d un aérogénérateur à axe horizontal...13 Figure I-8 : Principales composantes interieures de la nacelle d une turbine eolienne Figure I-9 : Eolienne à vitesse fixe...17 Figure I-10 : Eolienne à vitesse variable basée sur une MADA...18 Figure I-11 : Eolienne à vitesse variable basée sur une MSP ou une MAS...19 Figure I-12 : Machine asynchrone à cage d'ecureuil dans une chaîne de conversion éolienne...20 Figure I-13 : Machine asynchrone à double stator dans une chaîne de conversion èolienne...21 Figure I-14 : MADA type rotor bobine dans une chaîne de conversion éolienne...22 Figure I-15 : MADA type brushless dans une chaîne de conversion éolienne...23 Figure I-16 : Machine synchrone à rotor bobine dans une chaîne de conversion éolienne...24 Figure I-17 : Machine synchrone à aimants permanents dans une chaîne de conversion éolienne...25 Figure I-18 : Schéma de la structure de la MADA à rotor bobine...27 Figure I-19 : Fonctionnement en mode moteur hypo synchrone...27 Figure I-20 : Fonctionnement en mode moteur hyper synchrone Figure I-21 : Fonctionnement en mode génératrice hypo synchrone...28 Figure I-22 : Fonctionnement en mode génératrice hyper synchrone...29 Figure I-23 : Schéma de la MADA dont le rotor est alimenté par un onduleur...30 Figure I-24 : Schéma de la MADA dont le rotor est alimenté par un cycloconvertisseur...30 Figure I-25 : Schéma synoptique pour une alimentation par deux cycloconvertisseurs...31 Figure I-26 : MADA à énergie rotorique dissipée Figure I-27 : MADA à structure de kramer...33 Figure I-28 : Structure de Scherbius avec cycloconvertisseur...33 Figure I-29 : Structure de Scherbius avec convertisseurs MLI...34 Figure I-30 : Comparaison de zone de fonctionnement en survitesse entre la machine à cage et la MADA...36 CHAPITRE II : MODELISATION DE LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE BASEE SUR UNE MADA. Figure II-1 : Schéma synoptique du systéme de conversion d énergie éolienne et sa commande Figure II-2 : Schéma de la turbine éolienne Figure II-3 : Profil du vent appliqué à la turbine....40 LISTE DES FIGURES Figure II-4 : Evolution du coefficient de puissance avec la variation de la vitesse relative de la turbine...41 Figure II-5 : Modèle de la turbine...42 Figure II-6 : Modèle simplifié de la turbine...43 Figure II-7 : Schéma bloc du modèle de la turbine...44 Figure II-8 : Caractéristique idéale d'une éolienne à vitesse variable...44 Figure II-9 : Commande indirecte de vitesse (Zone I)...47 Figure II-10 : Orientation des pales Figure II-11 : Schémas bloc du système d orientation des pales Figure II-12 : Schémas bloc de la commande de l angle de calage des pales...49 Figure II-13 : Vitesse du vent, Vitesse mecanique, et la puissance mecanique produite...49 Figure II-14 : Coefficient de puissance et la vitesse specifique...49 Figure II-15 : Représentation de la machine asynchrone à double alimentation dans les deux repères Figure II-16 : Transformation des variables statoriques et rotoriques...53 Figure II-17 : Vitesse et le couple électromagnétique Figure II-18 : Composantes du flux statorique et leur résultante...57 Figure II-19 : Composantes du courant statorique...58 Figure II-20 : Composantes du courant rotorique Figure II-21 : Les tensions d alimentations au stator et au rotor Figure II-22 : Les courants statoriques triphasés avec un zoom...59 Figure II-23 : Les courants rotoriques triphasés avec un zoom Figure II-24 : Le couple éléctromagnetique et le flux...59 Figure II-25 : Les puissances active et réactive statoriques...60 Figure II-26 : Les puissances active et réactive rotoriques...60 Figure II-27 : Schéma simplifié de l'onduleur triphasé à deux niveaux Figure II-28 : Principe de fonctionnement de la technique MLI triangulosinusoidale à une porteuse Figure II-29 : Structure du redresseur à MLI Figure II-30 : Schéma fonctionnel du redresseur à MLI...66 Figure II-31 : Schéma bloc de la commande en courant du redresseur à MLI dans le repère (d, q) Figure II-32 : Boucles de régulation equivalentes des courants et de la tension Figure II-33 : Tension ondulée avec un zoom Figure II-34 : Tension du bus continu avec un zoom Figure II-34 : Courant et tension de ligne CHAPITRE III : COMMANDE VECTORIELLE ET MODE GLISSANT DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE. Figure III-1 : Principe de la commande vectorielle Figure III-2 : Calcul des angles de transformations...75 LISTE DES FIGURES Figure III-3 : Schéma bloc de la structure de commande directe par orientation du flux statorique...76 Figure III-4 : Schéma bloc de la structure de commande indirecte sans boucle de puissance...77 Figure III-5 : Schéma bloc de la structure de commande indirecte avec boucle de puissance...77 Figure III-6 : Convergence du système glissant Figure III-7 : Glissement idéal et réel...80 Figure III-8 : La valeur continue U eq prise par la commande lors de la commutation entre U max et U min...82 Figure III-9 : Fonction sign (non linéarité tout ou rien)...83 Figure III-10 : Phénomène de broutement Figure III-11 : Fonction SAT avec un seuil et deux seuils (zone morte) Figure III-12 : Fonction de Cont ( ε 0 et petit)...85 Figure III-13 : Structure de régulation par commutation au niveau de l organe de commande Figure III-14 : Structure de régulation par commutation au niveau de la contre réaction d état Figure III-15 : Structure de régulation par ajout de la commande équivalente...87 Figure III-16 : Schéma bloc de la structure de commande par mode glissant Figure III-17 : Puissance active statorique pour les deux commandes avec zoom Figure III-18 : Puissance réactive statorique pour les deux commandes avec zoom...93 Figure III-19 : Schéma synoptique du système (convertisseur, GADA et turbine)...94 Figure III-20: (a) - profil du vent appliqué, (b) - la vitesse mecanique, (c) - la vitesse specifique, (d) - le coefficient de puissance...95 Figure III-21 : Puissances statoriques active et réactive pour les deux commandes avec un zoom...96 Figure III-22 : Composantes du courant statoriques pour les deux commandes avec un zoom Figure III-23 : Composantes du courant rotoriques pour les deux commandes avec un zoom Figure III-24 : Tension du bus continu Figure III-25 : Courant et tension de phase de ligne CHAPITRE IV : COMMANDE PAR LA LOGIQUE FLOUE ET BACKSTEPPING DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE. Figure IV-1 : Formes des fonctions d appartenance usuelles : (a) - fonction triangulaire, (b) - fonction trapézoïdale, (c) - fonction sigmoïdale, (d) - fonction gaussienne, (e) - fonction singleton Figure IV-2 : Caractéristiques d un ensemble flou Figure IV-3 : Fonctions d appartenances de T (erreur) = {NG, NP, EZ, PP, PG} Figure IV-4 : Schéma synoptique général d un controleur flou Figure IV-5 : Schéma bloc de la structure de commande flou Figure IV-6 : Réponse typique d un système à un échelon de puissance Figure IV-7 : Schéma bloc de la structure du contrôleur du type PI-flou Figure IV-8 : Les fonctions d appartenances utilisées par le contrôle LISTE DES FIGURES Figure IV-9 : Trajectoires d un système dans le plan de phase Figure IV-10 : Types de stabilité selon Lyapunov Figure IV-11 : Interprétation géométrique du théoreme de Lyapunov Figure IV-12 : Schéma bloc de la structure de commande par backstepping Figure IV-13 : Puissance active statorique pour les deux commandes avec un zoom Figure IV-14 : Puissance réactive statorique pour les deux commandes avec un zoom Figure IV-15: (a) - profil du vent appliqué, (b) - la vitesse mécanique, (c) - le coefficient de puissance, (d) - la vitesse spécifique Figure IV-16 : Puissances statoriques active et réactive pour les deux commandes avec un zoom Figure IV-17 : Composantes du courant statorique pour les deux commandes avec un zoom Figure IV-18 : Composantes du courant rotorique pour les deux commandes avec un zoom Figure IV-19 : Tension du bus continu Figure IV-20 : Courant et tension de phase de ligne CHAPITRE V : ETUDE COMPARATIVE DES TECH
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