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Logiciel de prototypage dEoliennes sous Matlab/Simulink - J3eA
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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
MÉMOIRE
PRÉSENTÉ À
L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC EN ABITIBI-TEMISCAMINGUECOMME EXIGENCE PARTIELLE
DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE
PAR TOMMYANDY THEUBOU TAMEGHE
MODÉLISATION ET SIMULATION D'UN SYSTÈME DE JUMELAGEÉOLIEN-DIESEL ALIMENTANT UNE CHARGE LOCALE
AOÛT2012
BIBLITHÈQUE
Cégep de I'Abitibi-Témiscamingue
Université du Québec en Abitibi-TémiscamingueMise en garde
La bibliothèque du Cégep de I'Abitibi-Témiscamingue et de l'Université du Québec en Abitibi
Témiscamingue a
obtenu l'autorisation de l'auteur de ce document afin de diffuser, dans un but non lucratif, une copie de son oeuvre dans Depositum, site d'archives numériques, gratuit et accessible à tous.L'auteur conserve néanmoins
ses droits de propriété intellectuelle, dont son droit d'auteur, sur cette oeuvre. Il est donc interdit de reproduire ou de publier en totalité ou en partie ce document sans l'autorisation de l'auteur.Warning
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Témiscamingue
obtained the permission of the author ta use a copy of this document for non profit purposes in arder ta put it in the open archives Depositum, which is free and accessible ta ali. The author retains ownership of the copyright on this document. Neither the whole document, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission.CE MÉMOIRE A ÉTÉ RÉALISÉ
À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC EN ABITIBI-TÉMISCAMINGUEDANSLECADREDUPROGRAMME
DE MAÎTRISE EN INGÉNIERIE
Résumé
Le présent mémoire porte sur la modélisation d'un système de jumelage éolien-diesel (SJED) alimentant une charge locale. Le système proposé met en oeuvre une turbineéolienne, connectée à
un générateur diesel qui alimente une charge locale. Un telsystème est généralement utilisé en régions éloignées et difficiles d'accès et permet, de
réduire de manière significative la production diesel. On obtient ainsi une réduction de la pollution et des coûts de production de l'énergie électrique. Dans un premier temps, le présent rapport expose le contexte et les motivations socioéconomiques du sujet. Par la suite sont inventoriés les principaux problèmes techniques liés aux systèmes de jumelage éolien-diésel. Afin de mieux répondre auxobjectifs définis pour ce travail de maîtrise, l'étude et la modélisation du système sont
organisés en quatre points clés: (1) une définition abondante de la revue la littérature, des concepts généraux liés au jumelage éolien-diésel et des outils mathématiques et numériques d'analyse de base, (2) l'analyse et la modélisation du générateur diesel, (3) celle de la turbine éolienne, (4) et enfin, l'interconnexion des générateurs éolien et
diésel. Chaque point décrit les équations dynamiques du sous-système considéré et l'organise sous forme de modèle d'état ou de fonction de transfert.Les modèles dynamiques développés
ont été simulés à l'aide du logicielMatlab/Simulink. Des valeurs typiques, couramment
employés dans la littérature, ontété utilisés. Faute de relevés et de données techniques concrètes sur des systèmes de
jumelage éolien-diesel existants, les modèles développés ont été validés de manière
croisée, en comparant l es résultats obtenus à ceux tirés de la littérature scientifique. 11Abstract
This thesis focuses on the modeling of a wind-diesel cogeneration system feeding a local load. The proposed system implements a wind turbine, connected to a diesel generator that supplies an electrical load.Such a system is commonly used in remote
areas and allows the reduction of the diesel energy production. This yields a reduction of pollution and production costs of the electrical energy. At first, this report describes the socio-economic context and motivations of the subject. Thereafter, are inventoried the main technical issues related to wind-diesel co generation plants. To better me et the objectives of this work, study and mode ling of the system are organized into four key points: (1) a literature review based on general concepts related to wind-diesel systems and mathematical/numerical analysis tools; (2) the analysis and modeling of diesel generator, (3) of the wind turbine; ( 4) and finally, the interconnection of wind and diesel generators. Each point describes the dynamic equations, organized in the form of state model or transfer function, of the considered subsystem. Developed dynamic models were simulated using Matlab1 Simulink. Typical values,
commonly used in the literature, were used. Due to the lack of records and technical data on existing specifie wind-diesel system, developed models were cross-validated, comparing the simulation results with those from the literature. 111Remerciements
Ce mémoire a été réalisé à l'Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT)
avec l'aide et le soutien de nombreux intervenants clés qui ont grandement contribué à sa réalisation. Aussi, je tiens à les remercier et à leur exprimer toute ma reconnaissance, notamment: En premier lieu, mon directeur de recherche, le Professeur René Wamkeue (ing. Ph.D), professeur titulaire à 1 'UQAT, pour rn' avoir proposé ce sujet, pour son soutien permanant et les nombreux conseils et informations apportés. Ces derniers ont grandement contribué à rehausser la qualité technique de ce travail. Toute ma gratitude, pour la bourse d'étude accordée dans le cadre de la réalisation de ce travail. Mon co-directeur, le Docteur Innocent Kamwa (chercheurà l'IREQ), pour son support
financier et la riche documentation technique qui m'a permis de mieux cerner de nombreux concepts techniques exposés dans le présent mémoire. M. Jean-Jacques Beaudoin, Professionnel, chargé des Laboratoiresà l'UQAT, pour sa
disponibilité et son savoir-faire technique, mis en contribution pour la compréhension de nombreux concepts pratiques.Mes coéquipiers
du groupe de recherche GREENG, pour leurs nombreuses suggestions lors de nos présentations mensuelles.Je tiens enfin
à exprimer ma reconnaissance à tous ceux ou celles qui ont de près ou de loin contribué à la réalisation de ce travail et qui ne sont nommément pas cités ici. lVTable des matières
Résumé .......................................................................................................................... i
Abstract ........................................................................................................................ ii
Remerciements ............................................................................................................ iii
Table des matières .......................................................................................................
ivListe des figures ........................................................................................................ viii
Liste des tableaux ...................................................................................................... xiii
Liste des symboles .................................................................................................... xiv
Chapitre 1 Introduction générale .......................................................... 11.1 Contexte socio-économique ................................................................................. 2
1.2 Le jumelage Eolien-Diésel ................................................................................... 7
1.2.1 Le système principal -générateur diesel.. ................................................... 9
1.2.2 Le système auxiliaire-aérogénérateur .....................................................
111.2.3 La commutation des sources ..................................................................... 13
1.3 Problématique du jumelage éolien-diesel.. ......................................................... 15
1.3 .1 Charge minimale d'un générateur diesel.. ................................................. 15
1.3.2 Fréquence d'arrêt/démarrage des groupes diesel ...................................... 17
1.3.3 Le stockage de l'énergie ............................................................................ 18
1.3.4La stabilité du système .............................................................................. 20
1.3.5 Le partage et l'équilibrage des sources de puissance ................................ 20
1.3 .6 Gestion de l'énergie réactive ..................................................................... 22
1.4 Approche méthodologique ................................................................................. 23
Chapitre 2 Revue des concepts théoriques et analyse du système physique .............................................................................. 25v
2.1 Classification des modèles ................................................................................. 26
2.1.1 Les modèles statistiques ............................................................................ 27
2.1.2 Les modèles dynamiques .......................................................................... 29
2.2 Implémentation des modèles dynamiques .......................................................... 32
2.2.1 La représentation d'état ............................................................................. 33
2.2.2 Représentation
par fonction de transfert ................................................... 392.2.3 Passerelle entre la représentation d'état et le modèle dynamique ............ .41
2.2.4 Conversion des grandeurs
en système par unité ...................................... .432.2.5 Obtention des valeurs des paramètres de simulation des modèles
dynamiques ...............................................................................................
442.3 Présentation physique des systèmes et sous-systèmes à modéliser. ................... 47
2.3.1 Le générateur diesel .................................................................................. 47
2.3.2 Le générateur éolien (aérogénérateur) ...................................................... 63
2.4Conclusion .......................................................................................................... 82
Chapitre 3 Modélisation du générateur diésel ................................... 843.1 La turbine diésel ................................................................................................. 85
3.1.1 Production du couple mécanique .............................................................. 853.1.2 Le régulate
ur de vitesse ............................................................................ 883.1.3 Simula
tion numérique de la turbine diesel ............................................... 903.2 La génératrice synchrone et le régulateur de tension ......................................... 93
3.2.1 Mo délisati
on dans le repère synchrone dqo .............................................. 963.2.2 M
odèles d'état de la machine synchrone ................................................. 1043.2.3 L'excitatrice et le régulateur de tension (AVR) ...................................... 108
3.2.4 Simulations de la génératrice synchrone ................................................ 114
3.3 Mo dèle compl
et du générateur diesel.. ............................................................. 123 3.3.1 Essaie de délestage d'une charge inductive ............................................. 1243.3.2 Délestage d'une charge capaciti
ve .......................................................... 1263.3.3 Délestage d'une charge p
urement résistive ............................................. 127 Vl3.4 Conclusion ........................................................................................................ 128
Chapitre 4 Modélisation de l'aérogénérateur ................................... 1314.1 La turbine éolienne-partie mécanique ........................................................... 132
4.1.1 Modélisation du vent .............................................................................. 132
4.1.2 Modélisation de production de
la puissance éolienne ............................ 134 4.1.3La transmission mécanique ..................................................................... 138