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Développement d'un simulateur numérique de rotors d'éoliennes : application à une chaîne de conversion éolienne utilisant une machine synchrone à aimants permanents

Traoré, Moussa (2016). Développement d'un simulateur numérique de rotors d'éoliennes : application à une chaîne de conversion éolienne utilisant une machine synchrone à aimants permanents. Mémoire. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 158 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: L’énergie éolienne est devenue l’une des plus attrayantes énergies renouvelables utilisées pour la production d’électricité. L’augmentation de la productivité des éoliennes nécessite plus d’études et de tests sur les configurations de turbines, leur couplage aux génératrices et le contrôle du système. L’installation d’une éolienne pour effectuer des tests et analyser les performances est une opération onéreuse. Il est important alors d’utiliser des simulateurs pour faciliter l’étude et le contrôle de ces systèmes et assurer une conversion optimale de l’énergie éolienne. Ce travail de recherche consiste à développer un simulateur de turbines éoliennes qui permet de reproduire le comportement dynamique des pales du rotor éolien et de générer les caractéristiques couple-vitesse en utilisant une modélisation aérodynamique du système. Il consiste aussi à valider le simulateur développé en le couplant à une chaîne de conversion d’énergie éolienne composée d’une génératrice synchrone à aimants permanents, d’un redresseur à diodes et d’un hacheur dévolteur régulé en utilisant la stratégie de contrôle MPPT (Maximum Power Point Tracking). Cette stratégie permet une extraction maximale de la puissance aérodynamique sous un régime de vent variable. Un générateur de vitesse de vent, basé sur un modèle qui inclut le spectre de Van der Hooven et permettant d’alimenter le simulateur, est d’abord développé. Ensuite, le simulateur d’arbres éoliens est développé en utilisant deux approches. La première approche est une méthode théorique du calcul du couple basée sur l’exécution d’un algorithme formé des équations aérodynamiques théoriques issues de la théorie de l’élément de pale, tandis que la deuxième approche est une méthode numérique utilisant le logiciel PROPID. Afin de valider le fonctionnement et le comportement du simulateur développé, ce dernier est utilisé pour entrainer une génératrice à aimants permanents alimentant une charge à travers un redresseur et un hacheur. Le système de contrôle est aussi développé et les paramètres du régulateur sont déterminés. Différentes simulations du système éolien complet sont effectuées sur Matlab/Simulink sans contrôle et avec contrôle MPPT et les résultats sont présentés, analysés et discutés. Les résultats obtenus montrent la validité et la fonctionnalité du simulateur développé ainsi que l’efficacité de la stratégie de contrôle MPPT proposée. -- Mot(s) clé(s) en français : Simulateur de turbines éoliennes, théorie de l’élément de pales, spectre de Van der Hooven, table de correspondance, génératrices synchrones à aimants permanents, turbine à vitesse variable, stratégie de contrôle MPPT. -- ABSTRACT: Wind power has become one of the most attractive renewable energies used in power generation. Increasing the productivity of wind turbines requires more studies and tests on turbine configurations, coupling to generators and system control. Installing a wind turbine to perform tests and analyze performance is a costly operation, so it is important to develop wind turbine simulators to facilitate the study and control of these systems and ensure an optimal conversion of wind energy. This research involves developing a wind turbine simulator that reproduces the dynamic behavior of the wind turbine blades and generates torque-speed characteristics using aerodynamic modeling of the system. It also consists of validating the developed simulator by coupling it with a wind energy conversion chain composed of a permanent magnet synchronous generator, a rectifier and a buck converter regulated by using the MPPT (Maximum Power Point Tracking) control strategy. This strategy allows extracting the maximum of the aerodynamic power under a variable wind regime. Based on a model that includes the Van der Hooven spectrum, a wind speed generator is first developed and allows to feed the simulator. Next, the wind turbine simulator is developed using two approaches. The first one is a theoretical method of torque calculation using an algorithm based on aerodynamic equations resulting from the blade element theory, whereas the second one is a numerical method using the PROPID software. To validate the developed simulator operation and behaviour, it is used to drive a permanent magnet synchronous generator feeding a load through a rectifier-buck converter. The control system is also developed and the regulator is designed. Different simulations of the wind energy conversion system are performed using Matlab/Simulink and the results are presented, analysed and discussed both for MPPT control and without control. These results confirm the usability of the developed simulator and the efficiency of the MPPT control strategy. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Wind turbine simulator, blade element theory, Van der Hooven spectrum, correspondence table, permanent magnet synchronous generator, variable speed turbine, Maximum Power Point Tracking control.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Chebak, Ahmed
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Méthot, Jean-François
Informations complémentaires: Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître en sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés: Modelisation Simulation Turbine Eolienne Pale Rotor
Départements et unités départementales: Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 05 sept. 2017 13:34
Dernière modification: 05 sept. 2017 13:34
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1265

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