I. Installation olienne Raccorde au rseau

1) Les Systmes oliens : principe de conversion

Un systme olien, quelque soit sa technologie convertit lnergie cintique du vent en nergie lectrique. Cette conversion se fait en deux tapes : la conversion dune partie de lnergie cintique du vent en nergie mcanique; cette conversion se fait au niveau de la turbine la conversion de lnergie mcanique en nergie lectrique au niveau de la gnratriceCe systme olien peut tre construit avec une gnratrice synchrone ou asynchrone raccorde au rseau directement ou indirectement. Suivant la technologie utilise la connexion de la gnratrice au rseau se fait soit directement, soit par lintermdiaire total ou partiel dune interface dlectronique de puissance. Une transmission mcanique assure la liaison entre la turbine et le rotor de la gnratrice.Ce principe gnral de conversion est illustr sur la Figure 22.

Figure 22: principe de la conversion dnergie dune olienne

2) Gnratrices synchrones ou asynchronesOn se trouve aussi bien en prsence de machines synchrones (aussi appeles alternateurs) que de machines asynchrones (aussi appeles machines induction). Le but de cette section n'est pas de donner une explication sur le mode fonctionnement de ces deux machines, mais plutt de dvelopper leurs spcificits et leurs impacts dans le cadre de l'olien.2.1 Moteurs synchronesDans le cas d'une machine synchrone, un champ magntique est gnr au niveau du rotor au moyen d'un aimant permanent ou d'un lectroaimant aliment en courant continu. La spcificit de la machine synchrone est que le rotor tourne la mme vitesseque la frquence (50Hz) de la tension applique au stator divise par le nombre de paires de ples de la machine : n = ns = f/po, -f reprsente la frquence de la tension au stator, -p, le nombre de paires de ples, -ns, la vitesse de synchronisme et -n, la vitesse de rotation du rotor.

La majorit des oliennes ont deux paires de ples. La vitesse de rotation du rotor sera donc de 1500 tours/min. Cette vitesse est suprieure aux vitesses de rotation des oliennes si bien que cela justifie la prsence d'une bote de vitesse. Nanmoins, certains modles ont un nombre de ples plus important ce qui permet de rduire cette vitesse de synchronisme et d'tre dans le mme ordre de grandeur que la vitesse du rotor de l'olienne. Ds lors, un couplage direct sans bote de vitesse devient possible. Cela se fait au prix d'une machine plus complexe, plus volumineuse et donc, plus lourde et plus chre. En contrepartie, on a pargn la bote de vitesse.Le couple rsistif du gnrateur dpend du dcalage, c'est--dire du retard qui existe entre la force lectromotrice (fem) gnre par le rotor et la tension au stator. On appelle ce dcalage, l'angle lectrique. Si l'angle correspondant ce dphasage dpasse 90, on a phnomne dit de dcrochage o le rotor s'emballe et la gnratrice ne parvient plus le freiner.

Figure23: Courbe caractristique du couple lectrique en fonction de l'angle lectrique pour une machine synchrone.2.2 Moteurs asynchronesDans le cas d'une machine asynchrone, un courant alternatif est induit dans les bobines du rotor par le champ magntique du stator. Ce courant est gnr parce que le rotor tourne une vitesse lgrement diffrente que la vitesse du champ magntique gnr par le stator, celui-ci tourne la vitesse de synchronisme (telle que dfinie ci-dessus). Ce courant dans le rotor produit son tour un champ magntique qui interagit avec le champ initial du stator. De cette interaction, il est produit un courant qui sort de la machine. De par cette explication, on en dduit que la vitesse de rotor diffre de la vitesse de synchronisme (par dfinition, l'effet utile a lieu s'il existe une diffrence de vitesse). Si on reprend la notation ci-dessus, on a "n" diffrent de "ns". Cette diffrence de vitesse est appele glissement, s = (ns - n)/ns, et diffrent de 0.Le couple de freinage exerc par la gnratrice sur le rotor dpend de ce glissement, s. On voit donc que la vitesse de rotation dpend du couple exerc sur le rotor du moteur. Dans le cas de la machine synchrone, on avait un couple qui dpendait d'un dphasage entre le rotor et le stator, l'angle lectrique, mais l'ensembletournait la mme vitesse. Par contre, dans le cas de la machine asynchrone, on a un couple dpendant de la diffrence de vitesse entre rotor et stator.

Figure24: Courbe caractristique du couple lectrique en fonction du glissement pour une machine asynchrone.Si la gnratrice est directement connecte au rseau lectrique, la vitesse de synchronisme, ns, est fixe par la frquence du rseau et le nombre de ples. Dans le cas de la machine asynchrone, le rotor peut tourner une vitesse diffrente qui dpend du couple exerc par le rotor et de la courbe caractristique du couple lectrique du moteur induction (prsente ci-dessus). Si on peut jouer sur le glissement de la machine, on peut alors fonctionner une vitesse diffrente que celle impose par le rseau qui est constante. On gagne en souplesse. 3) Les types du systme olien raccord au rseauOn distingue trois grandes technologies: les oliennes vitesse fixe bases sur la machine asynchrone cage, les oliennes vitesse variable bases soit sur la machine asynchrone double alimentation soit sur la machine synchrone. 3.1 olienne vitesse de rotation fixe

Ces systmes oliens (Figure 25) sont constitus dune turbine ventuellement quipe dun systme de contrle de langle de calage des pales, dun multiplicateur de vitesse et dun gnrateur. Ce gnrateur est principalement une machine synchrone cage directement coupl eau rseau.

Figure 25 : Structure dune olienne vitesse fixe

Dans ce cas le couple lectrique doit tre constamment adapt au couple arodynamique. Couple moteur arodynamique = Couple rsistif lectriqueSi le vent vient augmenter brusquement, cela se traduit par une augmentation soudaine du couple arodynamique. Le couple rsistif du gnrateur s'adapte presque instantanment pour galer ce couple arodynamique. Cela se fait par une augmentation de l'angle lectrique.3.2 olienne vitesse de rotation variableCouple moteur arodynamique diffrent du Couple rsistif lectriqueOn distingue deux types doliennes vitesse variable, classs en fonction de la plage de variation de vitesse quelles sautorisent.

a. olienne base de machine synchrone

On sintresse ici une structure dolienne entirement interface par un dispositif dlectronique de puissance constitue de deux convertisseurs, lun connect au stator et lautre connect au rseau. La frquence la sortie du stator de la gnratrice synchrone n'est pas fixe. En effet, le systme redresseur-onduleur permet de dcoupler le fonctionnement lectrique de la machine lectrique et du rseau. Du coup, c'est la vitesse de rotation du rotor qui donne la frquence lectrique la sortie du stator. On peut laisser la vitesse de rotor varier. La frquence du stator sera elle aussi variable, mais cela n'a aucune importance dans la mesure o un couple redresseur-onduleur va transformer cette tension alternative en une autre de frquence et de tension diffrente, en l'occurrence, celles du rseau lectrique.

Figure 26 : Structure dune olienne base de machine synchroneCette technologie offre de nombreux avantages : souplesse de contrle, dcouplage entre rseau et gnratrice, optimisation de la production grce une grande plage de vitesse, gestion possible du ractif. Tout ceci entrane un cot plus lev : linterface dimensionne 100% de la puissance nominale de la machine et la machine synchrone est spcialement conue pour cette utilisation.

b. olienne base de machine asynchrone double alimentation

Une machine asynchrone double alimentation est une machine asynchrone dont le rotor (bobin) est raccord au rseau par lintermdiaire dune interface dlectronique de puissance. Cette interface adapte lamplitude et la frquence des courants rotoriques en contrlant la tension aux bornes du rotor en fonction du point de fonctionnement de la machine. On sautorise ainsi une variation de vitesse de 30% autour de la vitesse de synchronisme. Le stator est lui directement connect au rseau.Linterface dlectronique de puissance est constitue de deux convertisseurs (couple onduleur redresseur rversible), lun connect au rotor et lautre connect au rseau. Ils sont relis entre eux par un bus continu . Le convertisseur connect au rotor de la gnratrice permet de contrler la conversion lectromcanique en contrlant le couple donc la vitesse de la machine. Il permet galement de matriser ltat magntique de la gnratrice, il est donc possible de contrler la puissance ractive chang entre le stator et le rseau.

Figure 27 : Structure dune olienne base de machine asynchrone a double alimentation