La turbine eolienne - Laboratoire d`Electrotechnique et d

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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

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