Conférence Tunisienne de Génie Electrique CTGE’ 2004 SPM1: Communication N°3 Méthodologie de conception d’un système éolien en site isolé par l’outil Bond Graphs Par : Ahmed HATTAB Jamel BELHADJ Xavier ROBOAM Laboratoire des Systèmes Électriques (LSE-ENIT) Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle (LEEI-CNRS-INPT) Tunis-19, 20 et 21 Février 2004

Problématique d ’actualité : Énergies renouvelables Méthodologie de Conception d’un Système de Production de l’énergie électrique au fil du vent GS V, f Énergie Éolienne Vent (cinétique , aérodynamique ) / mécanique / électrique ….. Système pluridisciplinaires et complexe

PLAN DE L ’EXPOSE Méthodologie de conception du système Motivation du thème de recherche Modélisation et analyse systémique du système Performance du système éolien Conclusions

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 énergétique Transfert de puissance au sein du système Relation de cause à effet Deux variables pour exprimer le transfert de puissance Flux : f Effort : e A B Éléments Stockage Irréversible Source Symboles C I R Sf Se Contrainte 0 , 1 , TF , MTF GY MGY e A B f Représentation unifiante (multi-domaines) pluridisciplinaires

Problématique Nationale : Balance énergétique 3/13 Potentiel éolien en Tunisie Répartition du Weibull Densité de probabilité Dépassant les 500 MW Motivation du thème de recherche 900 kWh/m2/an dans certaines régions.

Présentation du système éolien en site isolé (2/10) 4/13 La chaîne de conversion éolienne W D1 D4 D3 D6 D5 D2 MS 3 ~ Vent Turbine Génératrice synchrone Redresseur à diode Accumulateurs Plusieurs formes de conversion d’énergie

Transformation de l’énergie 5/13 Source éolienne 3 2 1 v S P vent × = r éol Pertes inertielles Jv Pertes par frottement f m W , méca C em Pertes d’efficacité Cp s I E U élec Conversion électromagnétique Pertes résistives Rs Turbine éolienne Machine synchrone Pertes inductives Ls Jm Énergie cinétique du vent Puissance disponible Puissance récupérée Macro modèle BG I:Jv I:Jm I:Ls Source Vent 1 R:Cp Céole W Cméca R: f m Cem MGY r R: Rs Es Is Us R: Charge

Modélisation de la source primaire 6/13 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 Modèle analytique du vent à partir duquel nous avons effectué les différentes simulations

Modélisation de la turbine éolienne (1/2) 7/13 Caractéristique de la turbine éolienne Couple éolien

Modélisation de la turbine éolienne (2/2) 8/13 Modèle bond graph de la partie aérodynamique Couple Éolien Vent I : Jm R : fm 1 f e W couple éolien Puissance Éolienne Cméca W Le couple éolien est proportionnel à la puissance éolienne en valeur moyenne et en instantané (très variables)

Modélisation de la génératrice (1/2) 9/13 Modèle bond graph de la Géné Syn A . P Mécanique / Électrique Cem W MGY r1,2,3 Es Is qélec Cméca Phase1 V1 Phase2 V2 phase3 V3 Générateur_Phases ò R :Rs I :Ls MGY 1 f  qméca Es1 Is1 Es2 Is2 Es3 Is3 r1 r2 r3

Modélisation de la génératrice (2/2) 10/13 Vent moyen Amplitude constante Fréquence fixe Vent très variable Amplitude variable Fréquence variable

Modélisation du convertisseur statique Change à la commutation 11/13 Modèle bond graph du convertisseur AC / DC D1 D4 D3 D6 D5 D2 GS 3 ~ Deux interrupteurs fermés (deux diodes passantes) : ===> séquence Vbc D1D2 D3D2 D3D4 D5D4 D5D6 D1D6 Vph1-Vph3 Vph2-Vph3 Vph2-Vph1 Vph3-Vph1 Vph3-Vph2 Vph1-Vph2 BG Elément de commutation Vbc Vph1 Vph2 Vph3 MTF 1 m1 m3 m2 Change à la commutation

Performances du système éolien 12/13 Performances du système éolien Vent moyen Vent instantané Puissance électrique varie lentement en valeur instantanée % à la puissance éolienne : Filtres ( inerties du systèmes ) 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

Méthodologie de Conception d’un Système Éolien en site isolé par BG Conclusions 13/13 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 Amélioration des performances énergétiques des systèmes hybrides avec PV Une commande adéquate des convertisseurs d’adaptation (MPPT éolienne) pour l’optimisation de l’énergie électriques. Augmenter le nombre des éoliennes (sites isolés ) Possibilité de l’intégration du système au réseau électrique national: impact , taux de pénétration, étude technico-économique…