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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)
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Conférence Tunisienne de Génie ElectriqueCTGE’ 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
Méthodologie de Conception d’un Système de Production de l’énergie électrique au fil du vent GS Énergie Éolienne V, f Système pluridisciplinaires et complexe Problématique d ’actualité : Énergies renouvelables Vent (cinétique , aérodynamique ) / mécanique / électrique …..
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
Système énergétique Méthodologie de conception du système (1/2) 1/13 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
Caractéristiques du Formalisme Bond Graphs Effort : e A B Flux : f e A B f Méthodologie de conception du système (2/2) 2/13 Représentation énergétique Transfert de puissance au sein du système Relation de cause à effet Deux variables pour exprimer le transfert de puissance 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.
D1 D3 D5 Vent MS 3 ~ D4 D6 D2 Accumulateurs Turbine Génératrice synchrone Redresseur à diode Présentation du système éolien en site isolé (2/10) 4/13 La chaîne de conversion éolienne W Plusieurs formes de conversion d’énergie
Turbine éolienne Machine synchrone Pertes inductives Ls Pertes inertielles Jv Pertes inertielles Jm Conversion électromagnétique Source éolienne v W W W C , C , C , E , I U , I éol méca em s s s s 1 P P P P P Pertes d’efficacité Cp Pertes par frottement f m 3 Pertes résistives Rs = × r × × méca em em élec éol P S v vent 2 I:Ls I:Jv I:Jm Céole Cméca Cem Es Us Source Vent 1 1 1 MGY r R: Charge W W W Is Is R: Rs R:Cp R: f m Transformation de l’énergie 5/13 Énergie cinétique du vent Puissance récupérée Puissance disponible Macro modèle BG
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
Vent couple éolien R : fm e f W 1 Couple Éolien I : Jm Modélisation de la turbine éolienne (2/2) 8/13 Modèle bond graph de la partie aérodynamique 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) Mécanique / Électrique Cem Es MGY r1,2,3 W Is R :Rs Es1 Phase1 V1 1 MGY r1 Is1 R :Rs Cméca Es2 I :Ls Phase2 V2 MGY 1 1 ò r2 Is2 R :Rs I :Ls Es3 phase3 V3 MGY 1 Is3 r3 qméca f I :Ls qélec Générateur_Phases 9/13 Modèle bond graph de la Géné Syn A . P
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 MTF Vph1 m1 Vbc MTF D1 D3 D5 1 Vph2 m2 MTF GS 3 ~ Vph3 m3 D4 D6 D2 11/13 Modèle bond graph du convertisseur AC / DC Deux interrupteurs fermés (deux diodes passantes) : ===> séquence Vbc BG Elément de commutation Change à la commutation
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
Conclusions 13/13 Méthodologie de Conception d’un Système Éolien en site isolé par BG Modélisation systémique (Vent- Puissance électrique ) d’un système éolienen 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…