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Modélisation et étude des performances des systèmes éoliens hors réseau

Langlois, Jean-Daniel (2006). Modélisation et étude des performances des systèmes éoliens hors réseau. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le domaine de l'énergie éolienne a connu un essor fulgurant ces dernières années. Le secteur des petites éoliennes, qui sont utilisées principalement hors réseau pour la charge de batterie d'accumulateurs, ne bénéficie pas du même soutien technique et scientifique que le secteur des grandes éoliennes. Il est essentiel de développer des outils de conception, d'analyse et d'optimisation adaptés aux particularités des petites éoliennes hors réseau afin d'en améliorer les performances. Le présent travail présente une démarche permettant de faire l'analyse du couplage entre le rotor et l'alternateur à aimants permanents et d'évaluer les performances de l'éolienne.

Dans un premier temps, la modélisation de chacune des composantes du système est effectuée, soit le rotor, l'alternateur et la batterie d'accumulateurs. Dans un deuxième temps, une démarche structurée reprenant le modèle de chacune des composantes est présentée afin de faire le couplage entre le rotor et l'alternateur. Le modèle du rotor utilise la courbe du coefficient de puissance en fonction de la vitesse spécifique, qui peut être obtenue de façon analytique à partir de la géométrie de la pale. Le modèle de l'alternateur à aimants permanents utilise la transformation de Park, ce qui permet de considérer l'anisotropie du rotor de l'alternateur ainsi que la résistance de l'induit. La méthode de couplage proposée offre la possibilité de visualiser l'interaction entre le rotor et l'alternateur et de calculer la courbe de puissance de l'éolienne qui en résulte. Dans un troisième temps, un modèle temporel est développé sous Matlab/Simulik afin de conduire des études temporelles. La réalisation d'un modèle temporel a demandé l'élaboration d'un générateur de séries synthétiques de vent et de demande de puissance. Ce modèle temporel permet alors de vérifier si une éolienne donnée, pour un certain régime de vent, parvient à répondre à la demande d'un profil de consommation donné.

Les outils développés sont ensuite utilisés afin de mesurer l'influence de la variation de la tension de la batterie lors de sa charge et de sa décharge sur la courbe de puissance de l'éolienne et sur sa production énergétique annuelle. Lors de l'analyse du couplage, on montre qu'il peut y avoir une grande variation de la courbe de puissance de l'éolienne en fonction du niveau de voltage, mais par la suite, avec une simulation temporelle, on peut voir que cette variation est de moindre importance lors du fonctionnement. On démontre cependant que les conditions particulières de test peuvent conduire à différentes mesures de courbe de puissance lors des tests de performance. En dernier lieu, on amorce une réflexion sur les méthodes permettant d'améliorer les performances de l'éolienne. On fait alors la revue de différents moyens permettant d'optimiser le couplage entre le rotor et l'alternateur et de maximiser la production énergétique de l'éolienne.

Titre traduit

Model development and simulation of small isolated wind turbines

Résumé anglais

The field of wind energy has experienced rapid growth over the past years. However, the sector of small wind turbines, used mainly for battery charging applications in gridisolated installations, has not had the same level of technical and scientific support as the large wind turbine sector. As such, it is necessary to develop some tools for the design, analysis and optimization of small wind turbines adapted to their specific characteristics in order to improve their performance. This work presents a method for power performance evaluation of small wind turbines in order to evaluate the interaction between the rotor and the permanent magnet alternator.

First of all, the modeling of each component of the system, that is the rotor, the alternator and the battery, is carried out. After, a structured step-by-step method, taking the model of each component, is presented in order to couple the rotor with the alternator. The model of the rotor uses the coefficient power curve, which is a function of the tip speed ratio that can be obtained analytically from the blade geometry. The model of the permanent magnet alternator uses the Park transformation, which makes it possible to consider the anisotropy of the alternator as well as the winding resistance. The proposed method makes it possible to visualize the interaction between the rotor and the alternator and to calculate the power curve of a wind turbine. Lastly, a temporal model is developed using Matlab/Simulink in order to analyze the time-dependant behaviour of the system. The time-based model requires the development of a time-series generator to give the wind speed and the power consumption of the electric load. This time-based model makes it possible to verify if a given wind turbine system is able to meet the requirements of a certain electric load for a specific wind profile.

These tools are then used to measure the influence of the voltage variation of the battery, during charge and discharge, on the power curve measurement and on the annual energy production. In analyzing the coupling between the rotor and the generator, it is shown power curve of the wind turbine can vary greatly depending on the battery voltage, but thereafter, with a time-based simulation, one can see that this variation is of less importance during operation. However, it is shown that, during power performance testing, the specific test conditions can lead to different measurements of the power curve. The work is ended with a review of different methods to optimize the coupling between the rotor and the alternator in order to maximize the energy production of the wind turbine.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr.: f. [126]-130. Chap. 1. Modélisation de l'éolienne -- Chap. 2. Calcul de la courbe de puissance de l'éolienne -- Chap. 3. Modèle temporel du système éolien hors réseau -- Chap. 4. Étude des performances de l'éolienne hors réseau -- Chap. 5. Amélioration des performances.
Mots-clés libres: Courbe, Eolien, Eolienne, Hors, Modele, Modelisation, Performance, Puissance, Reseau, Systeme, Temporel
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Lamarche, Louis
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 14 mars 2011 15:59
Dernière modification: 03 nov. 2016 23:10
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/481

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