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La turbine éolienne(Modélisation et commande)
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance : L2EP
Bruno [email protected]
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
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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
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Rotation dRotation d’’une turbine une turbine ééolienneolienne
Force ascensiorrielle
(Lift force)
Force de poussée
(Drag force)
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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 :
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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
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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 :
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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)
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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
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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
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ModelisationModelisation dudu systsystèèmeme mméécaniquecanique
Tem
Ωmec v Taerodynamical
Ωturbine
Turbine
β
Multiplicateur Arbre
Ωmec
Tgearbox
MS
Source mécanique Turbine Inertie
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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
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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
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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)~∩
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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)