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La turbine éolienne(Modélisation et commande)

Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance : L2EP

Bruno FRANCOISBruno.francois@ec-lille.fr

Master (Recherche) Sciences et TechnologiesMention : « Automatique et Systèmes ElectriquesSpécialité : Energie Électrique et Développement Durable (E2D2)

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Principe de conversion aérodynamique, et modèlisation des turbines éoliennes

Forces appliquForces appliquéées sur une palees sur une pale

CaractCaractéérisation drisation d’’une turbine une turbine ééolienneolienne

ModModèèlisationlisation du multiplicateurdu multiplicateur

Drive train Drive train modellingmodelling

ModModèèlisationlisation dudu systsystèèmeme mméécaniquecanique

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Le vent applique une force sur la pale

La pale applique une force sur les molécules d’air

Forces appliquForces appliquéées sur une palees sur une pale

La force de résistance à l'avancement du vent (Drag force) est la force produite par le vent dans la direction du vent .

Derrière la turbine, la vitesse du vent est donc fortement atténuée et perturbée.

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Turbulence (Étude de DEWI)Turbulences derriTurbulences derrièère la turbinere la turbine

3

5

On tourner des pales

Il s’ensuit « Drag force » qui pousse l’ensemble de la structure

_ qui bouge si cette structure est mobile : Hélicoptère

Principe inversePrincipe inverse

_ qui créée une force autour d’elle si la structure est fixe : Ventilateur

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Drag force

Pales vrilléesForces appliquForces appliquéées sur une palees sur une pale

Une seconde force « ascensorielle » apparaît (Lift force) :

_ qui est toujours orientée orthogonalement à la direction du vent

_ dont le sens dépend de la forme de la surface

Lift force

Vent

4

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Rotation dRotation d’’une turbine une turbine ééolienneolienne

Force ascensiorrielle

(Lift force)

Force de poussée

(Drag force)

3

8

Puissance Puissance ééolienneolienne

2.. 21 vmP =

Puissance développée une masse se déplaçant à une vitesse v :

Cp : coefficient de puissance (rendement)

3. . . 21 vAPwind ρ=

Puissance développée un volume de molécules d’air se déplaçant à une vitesse v :

3

21 v.A.. C P. C P pwindpcalaerodynami ρ==

Puissance aérodynamique captée par une turbine éolienne :

Avecρ : Densité de l’air 1.22 (kg/m3)A : Aire balayée par les pales π.R2

v : vitesse du vent

5

9

Coefficient de puissance : Cp

Cp < 0.59

v.R turbineΩλ =Ratio de vitesse:

Angle d’orientation des pâles : β

CaractCaractéérisation drisation d’’une turbineune turbine

0 2 4 6 8 10 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

λ

Cp

β=0

β=2

β=4

β=6

β=8

β=10

Power aerodynamic efficiency versus tip speed ratiofor a 1.5 MW three bladed turbine

( ) ββββλ )..(λ...().π.(λ...(Cp 3001840)3010

10sin.00167030), −−

−+−=

Approximation mathématique :

10

turbinepcalaerodynami Ω.C.v.A.. T 1

21 3ρ=

DDéétermination du coupletermination du couple

(R1)

Puissance (W) = Couple (N.m) x Vitesse angulaire (rad/s)

Taerodynamical

Ωturbine R3 R2

Cp

λ

v R1

Turbine

β

( ) ββ

ββλ )..(λ.)..(

).π.(λsin....),(Cp 30018403010

1000167030 −−

−

+−= (R2)

vRturbineΩλ = (R3)

6

11

β

Gearbox Generator

Ωmec

Ω turbine Τgearbox

Τaerodynamical

R v

Turbine

ModModéélisation du multiplicateurlisation du multiplicateur

GT

T calaerodynamigearbox =

GΩ Ω mecturbine =

(R4)

(R5)

Tgearbox R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec

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(R7)mechanicalmec TT

dtdΩ.J == ∑

Équation fondamentale de la dynamique

(R6)Bilan des couples

viscousemgearboxmechanical T T T T −−=

Couple de frottements visqueuxmecviscous f.Ω T = (R8)

R6

Tem

Ωmec

R8

R7 Tmechanical Tgearbox

Tviscous

Drive train R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec

ModModéélisationlisation dudu systsystèèmeme mméécaniquecanique

7

13

ModelisationModelisation dudu systsystèèmeme mméécaniquecaniqueβ

Gearbox Generator

Ωmec

Ωturbine Τgearbox

Τaerodynamical

R v

Turbine

Wind turbine

Tgearbox

Tem

1 J.s+f

_ + v

Ωturbine

Drive train Gearbox

Ωmec

Ωmec

Taerodynamical

R.Ωblade v

λ

Cp

1 G

1 G

turbinep ΩvAC 1...2.

3ρ

β

Ωturbine

R6

Tem

Ωmec

R8

R7 Tmechanical Tgearbox

Tviscous

Drive train R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec R3 R2

Cp

λ

v R1

Turbine

β

14

ModelisationModelisation dudu systsystèèmeme mméécaniquecanique

Tem

Ωmec v Taerodynamical

Ωturbine

Turbine

β

Multiplicateur Arbre

Ωmec

Tgearbox

MS

Source mécanique Turbine Inertie

8

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IntIntéérêt de la grêt de la géénnéération ration àà vitesse variablevitesse variable

The generator speed must be adapted

A

Ω1

v1

P1

Power

BP2v2

Wind Speed

C

Ω 2

P3Benefit

Ω mec

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Simulation

Vitesse mécanique (tr/mn)

Puissance électrique (kW) Mesure

But, this operating domain is limitedfor low speeds and low powers

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Intérêts des éoliennes à vitesse variable:

⇒ Augmenter l’énergie extraite du vent

⇒ Réduire le bruit généré par la turbine

⇒ Réduire les contraintes mécaniques

⇒ Améliorer la qualité de l’énergie fournie au réseau

IntIntéérêt de la grêt de la géénnéération ration àà vitesse variablevitesse variable

9

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Principe :turbinecalaerodynami Ω. TP =

imposé par le vent

Il faut imposer la vitesse de référence (Ωturbine _ref) qui permet d’obtenir le maximum de puissance (selon la vitesse mesurée du vent)

Extraction maximale de la puissance : MPPT

IntIntéérêt de la grêt de la géénnéération ration àà vitesse variablevitesse variable

18

10

19

Tem

Ωmec v Taerodynamical

Ωturbine

Turbine

β

Multiplicateur Arbre

Ωmec

Tgearbox

v

Asservissement de vitesse

Ωturbine_ref

β ref

Ωmec_ref Tem_reg

Modèle

Commande

MPPT

CommandeCommande de la turbine par de la turbine par asservissementasservissement de de vitessevitesse

Pour asservir la vitesse, il faut inverser le chemin en gras

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R6

Tem

Ωmec

R8

R7 Tmechanical Tgearbox

Tviscous

Drive train R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec R3 R2

Cp

λ

v

R678cR5cΩturbine_reg Ωmec_reg

R1

R123c

Turbine

Modèle Commande

Tem_reg

β

MPPT

βreg

Controle de la puissance

Asservissement de vitesse

CommandeCommande de la turbine par de la turbine par asservissementasservissement de de vitessevitesse

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CommandeCommande de la turbine sans de la turbine sans asservissementasservissement de de vitessevitesse

mechanicalmec TT

dtdΩ.J == ∑

Équation fondamentale de la dynamique

viscousemgearbox T T T +=

En régime permanent

(Le couple de frottement est négligeable)

gearboxreg_em TT =Équation de commande en régime permanent

~

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CommandeCommande de la turbine sans de la turbine sans asservissementasservissement de de vitessevitesse

R6

Tem

Ωmec

R8

R7 Tmechanical Tgearbox

Tviscous

Drive train R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec R3 R2

Cp

λ

v

R4e

R1 Turbine

Modèle Commande

Tem_reg

β

βreg

Controle de la puissance

Taerodynamical ~

R3 v

R1

R5eΩturbine Ωmec ~ ~

GT TT calaerodynami

gearboxreg_em ==~

(R4e) G mec

turbineΩΩ = (R5e)~∩

12

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mecmax_pcalaerodynami Ω

G.v.A.. C T 3

2ρ

=

CommandeCommande de la turbine sans de la turbine sans asservissementasservissement de de vitessevitesse

R6

Tem

Ωmec

R8

R7 Tmechanical Tgearbox

Tviscous

Drive train R4

R5

Taerodynamical

Ωturbine

Gearbox

Ωmec R3 R2

Cp

λ

v

R4e

R1 Turbine

Modèle Commande

Tem_reg

β

βreg

Controle de la puissance

Taerodynamical ~

R3e v

R1e

R5eΩturbine Ωmec ~ ~

G.R R v mec

Cturbine

max_p

Ωλ

Ωλ

==v

.R turbineΩλ = (R3)~ ∩ ∩

(R3e)~

(R1e)