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La turbine eolienne - Laboratoire d`Electrotechnique et d
La turbine éolienne (Modélisation et commande) Bruno FRANCOIS [email protected] Master (Recherche) Sciences et Technologies Mention : « Automatique et Systèmes Electriques Spécialité : Energie Électrique et Développement Durable (E2D2) Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance : L2EP 1 Principe de conversion aérodynamique, et modèlisation des turbines éoliennes Forces appliqué appliquées sur une pale Caracté Caractérisation d’ d’une turbine éolienne Modè Modèlisation du multiplicateur Drive train modelling Modè Modèlisation du systè système mécanique 2 1 Forces appliqué appliquées sur une pale Le vent applique une force sur la pale La pale applique une force sur les molécules d’air 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. 3 Turbulences derriè derrière la turbine Turbulence (Étude de DEWI) 4 2 Principe inverse On tourner des pales Il s’ensuit « Drag force » qui pousse l’ensemble de la structure _ qui bouge si cette structure est mobile : Hélicoptère _ qui créée une force autour d’elle si la structure est fixe : Ventilateur 5 Forces appliqué appliquées sur une pale Pales vrillées Drag force Lift force Une seconde force « ascensorielle » apparaît (Lift force) : _ qui est toujours orientée orthogonalement à la direction du vent Vent _ dont le sens dépend de la forme de la surface 6 3 Rotation d’ d’une turbine éolienne 3 Force ascensiorrielle (Lift force) Force de poussée (Drag force) 7 Puissance éolienne Puissance développée une masse se déplaçant à une vitesse v : P= 1 .m.v 2 2 Puissance développée un volume de molécules d’air se déplaçant à une vitesse v : Pwind = Avec ρ : Densité de l’air 1.22 (kg/m3) A : Aire balayée par les pales π.R2 v : vitesse du vent 1 .ρ . A .v 3 2 Puissance aérodynamique captée par une turbine éolienne : 1 Paerodynamical = C p .Pwind = C p . ρ .A.v 3 2 Cp : coefficient de puissance (rendement) 8 4 Caracté Caractérisation d’ d’une turbine Coefficient de puissance : Cp β=0 0.3 β=2 0.25 Cp < 0.59 Cp β=4 β=6 0.2 β=8 0.15 β=10 0.1 0.05 0 R .Ω turbine v Angle d’orientation des pâles : β Ratio de vitesse: λ = 0 2 4 8 λ 6 Power aerodynamic efficiency versus tip speed ratio for a 1.5 MW three bladed turbine 10 Approximation mathématique : π.(λ+0.1) C p(λ,β)=(0.3−0.00167.β ).sin −0.00184.(λ−3).β (10−0.3.β) 9 Détermination du couple Puissance (W) = Couple (N.m) x Vitesse angulaire (rad/s) 1 1 (R1) Taerodynamical = .ρ .A. v 3 .C p . 2 Ωturbine π.(λ + 0.1 ) C p(λ , β ) = (0.3 − 0.00167.β ). sin − 0.00184.(λ − 3 ).β ( 10 − 0.3.β ) λ = Ω turbine R (R2) (R3) v Turbine v Taerodynamical R1 Cp R2 λ R3 β Ωturbine 10 5 Modé Modélisation du multiplicateur β Tgearbox = v R Ωturbine = Ωmec G Τ aerodynamical Ω turbine Taerodynamical (R4) G (R5) Τ gearbox Ω mec Generator Gearbox Turbine Gearbox Taerodynamical Tgearbox R4 Ωturbine Ω mec R5 11 Modé Modélisation du systè système mécanique Équation fondamentale de la dynamique J. dΩmec = dt ∑T = T (R7) mechanical Bilan des couples Tmechanical = Tgearbox − Tem −Tviscous Couple de frottements visqueux (R8) Tviscous = f.Ωmec Taerodynamical Tem Gearbox R4 (R6) Tgearbox R6 Drive train Tmechanical R7 Tviscous Ωturbine R5 Ωmec R8 Ω mec 12 6 Modelisation du systè système mécanique β v R Τaerodynamical Ω turbine Τgearbox Ω mec Generator Gearbox Turbine Wind turbine Taerodynamical ρ C p. .A.v3. 1 2 Ωturbine v Tem Gearbox Drive train _ 1 + J.s+f Tgearbox 1 G Ωmec Ωturbine Cp Ωturbine λ R.Ωblade Ωmec 1 G v β Turbine v Taerodynamical R1 Gearbox Tem Tgearbox R4 R6 Cp R2 Drive train Tmechanical R7 Tviscous λ Ωturbine R3 R8 Ωmec R5 β Ω mec 13 Modelisation du systè système mécanique Inertie Turbine Source mécanique MS Turbine Taerodynamical v Ωturbine Multiplicateur Arbre Tgearbox Ωmec Ωmec Tem β 14 7 Inté Intérêt de la gé génération à vitesse variable Power Benefit C P3 P2 B P1 v2 A Wind Speed v1 Ω1 Ω mec Ω2 The generator speed must be adapted Puissance électrique (kW) 1600 Mesure Simulation 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vitesse mécanique (tr/mn) 2000 But, this operating domain is limited for low speeds and low powers 15 Inté Intérêt de la gé génération à vitesse variable 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 16 8 Inté Intérêt de la gé génération à vitesse variable Principe : P = Taerodynamical .Ωturbine 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 17 18 9 Commande de la turbine par asservissement de vitesse Pour asservir la vitesse, il faut inverser le chemin en gras Turbine Taerodynamical v Multiplicateur Arbre Ωmec Tgearbox Tem Ωmec Ωturbine β Modèle Commande β ref Asservissement de vitesse MPPT v Ωturbine_ref Tem_reg Ωmec_ref 19 Commande de la turbine par asservissement de vitesse Turbine v Taerodynamical R1 Gearbox R4 Tgearbox Ωturbine R5 Ωmec Ωturbine_reg R5c Cp R6 Drive train Tmechanical R7 Tviscous λ R2 R3 Ωmec R8 Tem β Modèle Commande βreg R123c Ωmec_reg R678c Tem_reg Asservissement de vitesse MPPT Controle de la puissance 20 10 Commande de la turbine sans asservissement de vitesse En régime permanent Équation fondamentale de la dynamique ∑ dΩmec = T = Tmechanical dt Tgearbox = Tem + Tviscous J. (Le couple de frottement est négligeable) Équation de commande en régime permanent ~ Tem _ reg = Tgearbox 21 Commande de la turbine sans asservissement de vitesse ∩ ~ Ωmec (R5e) Ωturbine = G ~ Taerodynamical (R4e) Tem _ reg = Tgearbox = G Turbine v Taerodynamical R1 Gearbox R4 Tgearbox Ωturbine R5 Ωmec ~ Taerodynamical R4e Tem_reg Cp R2 R6 Drive train Tmechanical R7 Tviscous λ R3 Ωmec R8 Tem β Modèle Commande βreg R1 ~ ~ v R3 Controle de la puissance Ωturbine Ωmec R5e 22 11 Commande de la turbine sans asservissement de vitesse ∩ λ = ~ R .Ω turbine v ~ (R3) v= R λ ∩ Ω turbine = G ρ Taerodynamical = C p _ max . .A.v 3 . (R1e) 2 Ωmec Turbine v Taerodynamical R1 R λC p _ max . Ω mec G (R3e) Gearbox R4 Tgearbox Ωturbine R5 Ωmec ~ Taerodynamical R4e Tem_reg Cp R2 R6 Drive train Tmechanical Tviscous λ R3 R7 Ωmec R8 Tem β Modèle Commande βreg R1e ~ ~ v R3e Controle de la puissance Ωturbine Ωmec R5e 23 12
