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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

26. Éolien : le couplage au réseau

Xavier Guillaud

Texte intégral

1La production électrique d’origine éolienne s’est développée de manière extrêmement rapide ces dernières années et représente pour certains pays européens une source d’énergie significative. De quelques dizaines de kilowatt unitaire, on atteint maintenant des puissances de 2 à 3 MW pour les éoliennes terrestres et de 5 à 6 MW en offshore.

Principe de fonctionnement d’une éolienne

2La technologie des éoliennes a rapidement évolué ces dernières années. On assiste maintenant à une relative stabilisation de la structure générale des éoliennes multi-mégawatt qui sont, pour la plupart, constituées de trois pales orientables à axe horizontal. La puissance mécanique (Peol) développée par une éolienne s’exprime, de manière simplifiée par la relation :

la vitesse spécifique

3β : l’angle d’orientation de la pale ;

4υvent : la vitesse du vent ;

5S : la surface balayée par l’éolienne ;

6R : la longueur de la pale ;

7Ω : la vitesse de rotation de l’éolienne ;

8ρ : la densité de l’air (1,2 kg/m3) ;

9Cp : le coefficient de portance.

10Pour un angle β nul, il existe une valeur de λ qui conduit à la valeur optimale de Cp (de l’ordre de 0,49 pour les éoliennes tripales) et donc à une optimisation de la conversion de puissance (figure 1). Pour maintenir cette valeur constante (aux environs de 9), il est donc nécessaire d’adapter la vitesse de rotation de l’éolienne à la vitesse du vent, d’où la nécessité d’avoir des éoliennes à vitesse de rotation variable.

Fig. 1 – Courbe représentant le coefficient de portance Cp en fonction de l’angle d’orientation de la pale β et la vitesse spécifique λ qui montre l’existence d’une valeur optimale

11Les premières génératrices éoliennes étaient de simples machines asynchrones (figure 2a). On montre que la vitesse de la machine est quasiment fixe pour des puissances de plusieurs centaines de kW. La rupture technologique est venue de l’utilisation de convertisseurs d’électronique de puissance qui, grâce à une commande appropriée, permettent de contrôler la vitesse de la génératrice. Dans le cas de la connexion « full converter », le convertisseur est placé au stator* (figure 2b) de la machine, en général de technologie synchrone. Ce convertisseur est dimensionné à la puissance nominale de la machine ce qui rend cette solution chère mais en progression actuellement. Il est alors possible d’avoir des éoliennes dites à « attaque directe » : la turbine éolienne peut être directement connectée sur la génératrice qui tourne donc à très basse vitesse (10 à 20 tr/min). La solution la plus courante consiste à utiliser une machine asynchrone avec un rotor bobiné (figure 2c) dont les phases sont accessibles à l’extérieur de la machine. Ces machines tournent à une vitesse proche de 1 500 tr/min, ce qui suppose l’utilisation d’un multiplicateur à très fort rapport de multiplication. L’électronique de puissance est connectée sur le rotor, ce qui présente l’avantage d’un dimensionnement plus faible du convertisseur, de l’ordre de 30 % de la puissance nominale avec des fonctionnalités assez proches de la structure précédente.

Fig. 2 – Différentes formes de couplage de génératrice éolienne

12La figure 3 explique le principe de fonctionnement de l’éolienne. On distingue 3 zones principales. En zone 1, la vitesse de rotation augmente linéairement en fonction de la vitesse du vent : ceci permet une optimisation de la production de puissance. En zone 2, la vitesse de rotation arrive à sa vitesse nominale, mais la puissance n’est pas encore à sa valeur nominale. Enfin, en zone 3, la puissance atteint sa valeur nominale, l’angle de calage (β) est alors modifié pour limiter la puissance convertie. La plupart des éoliennes commencent à produire vers 4 m/s (15 km/h) et s’arrêtent à 25 m/s (90 km/h).

Intégration des éoliennes dans les réseaux électriques

13De manière à faciliter leur intégration dans le système électrique* on a d’abord demandé aux génératrices éoliennes d’être capables de rester connectées lors d’un creux de tension ce qui n’était pas le cas pour les machines asynchrones seules. Il s’agit d’une propriété très importante pour le réseau, qui permet d’éviter qu’un creux de tension n’entraîne la déconnexion instantanée d’un grand nombre d’éoliennes situées dans la même zone géographique et risquant par la même occasion de mettre en péril le réseau sur lequel ces éoliennes sont connectées.

14Dans les réseaux alternatifs, la stabilité de la fréquence* résulte de l’équilibre instantané entre la production et la consommation : lorsque la fréquence baisse, il est nécessaire d’augmenter la puissance, ce qui suppose donc, au préalable, pour les sources, de ne pas être au maximum de puissance : c’est ce que l’on appelle la réserve tournante. L’application de cette fonction aux éoliennes induirait donc un manque à gagner substantiel pour le producteur éolien. Une solution intermédiaire consiste à diminuer très rapidement la vitesse de l’éolienne en cas de variation de fréquence. L’énergie cinétique du rotor est ainsi convertie en puissance électrique de manière quasi instantanée – ce qui a pour effet bénéfique de limiter temporairement la variation de fréquence.

Fig. 3 – Principe de fonctionnement des systèmes éoliens. Les 3 graphes représentent la puissance, la vitesse de rotation et l’angle des pales

15Les propriétés des génératrices éoliennes se rapprochent progressivement d’une source de production classique tout en gardant, bien sûr, les spécificités liées à ce type d’énergie : production intermittente à partir d’une source renouvelable et connexion par convertisseur d’électronique de puissance.

Bibliographie

Références bibliographiques

• B. ROBYNS et al. – Production d’énergie électrique à partir des sources renouvelables, Hermès/Lavoisier, 2012.

• J.-C. SABONNADIÈRE – Nouvelles technologies de l’énergie, Hermes Science Publications, 2007.

Table des illustrations

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Légende Fig. 1 – Courbe représentant le coefficient de portance Cp en fonction de l’angle d’orientation de la pale β et la vitesse spécifique λ qui montre l’existence d’une valeur optimale
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Légende Fig. 2 – Différentes formes de couplage de génératrice éolienne
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Légende Fig. 3 – Principe de fonctionnement des systèmes éoliens. Les 3 graphes représentent la puissance, la vitesse de rotation et l’angle des pales
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Auteur

Professeur à l’École Centrale de Lille, L2EP, Villeneuve-d’Ascq.
xavier.guillaud@ec-lille.fr

© CNRS Éditions, 2013

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