L’humanité exploite l’énergie du vent depuis des siècles. Cette pratique remonte au moins à la Perse du VIIIe siècle, où sont apparus les premiers documents historiques connus sur les moulins à vent, mais elle remonte probablement encore plus loin. Comparée à la vaste histoire d’utilisation directe de l’énergie éolienne pour faire des choses comme moudre des céréales, pomper de l’eau, scier du bois ou produire des tissus, la production d’électricité est encore relativement nouvelle. Malgré cela, il existe des façons intéressantes d’utiliser le vent pour produire de l’électricité. En raison de la nature imprévisible du vent à chaque instant, son utilisation pour faire tourner un grand générateur relié au réseau n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Jetons un coup d’œil à quatre types de configurations d’éoliennes et à la manière dont chacune gère les changements soudains de vitesse du vent.
Prédire le futur
Mais tout d’abord, il est important de noter que les régimes de vent de l’ordre d’un an ou plus dans une zone particulière sont bien connus et utilisés pour la conception de parcs éoliens. En outre, les prévisions de vitesse du vent sur des échelles de temps plus courtes, comme un jour ou une semaine, sont également suffisamment précises pour obtenir une estimation très précise des capacités de production d’électricité sur ces échelles de temps, bien qu’il existe une idée fausse largement répandue selon laquelle le vent n’est pas une source d’électricité fiable car ça ne souffle pas toujours. Bien au contraire; des prévisions extrêmement précises de la vitesse moyenne du vent sont disponibles des heures et des jours à l’avance en raison de la qualité des prévisions météorologiques au cours des dernières décennies, permettant aux générateurs tels que les centrales à combustibles fossiles de réduire leur production à mesure que davantage de production éolienne devient disponible avec de nombreux avertissements.
Freiner en cas d’urgence
Même si les prévisions de vent à long et à court terme sont extrêmement robustes, les rafales de vent sont beaucoup plus difficiles à gérer et restent un défi pour toute éolienne. Bien qu’il puisse être facile de penser qu’une turbine appliquera simplement un frein mécanique pour ralentir la rotation lorsqu’une rafale se produit, pour les grandes turbines, cette solution n’est généralement pas économiquement viable. Cela impliquerait d’envoyer des techniciens pour remplacer constamment les plaquettes de frein, sans parler des contraintes mécaniques sur la turbine que l’action constante du freinage entraînerait. Bien qu’il existe également des systèmes de pas de pale, également appelés freins aérodynamiques, qui peuvent faire tourner les pales (ou simplement les extrémités des pales) dans ou hors du vent afin de rester aussi proche que possible de la vitesse de rotation idéale de la turbine, ces pas les systèmes sont encore trop lents pour certaines rafales.
Des freins mécaniques sont cependant nécessaires. Ils ne sont généralement utilisés que lors d’un arrêt d’urgence lorsqu’un technicien est en danger physique, en dernier recours pour arrêter un événement de survitesse majeur en cas de défaillance du système de pas des pales, ou pour « garer » temporairement le rotor de la turbine pendant certains processus de maintenance seulement après les freins aérodynamiques ont été appliqués. Les éoliennes hors ligne, telles que celles en attente de remplacement du générateur ou de la boîte de vitesses, ne peuvent pas non plus utiliser le frein à long terme, car les éoliennes dont les pales sont inclinées hors du vent peuvent « tourner » pendant de longues périodes, même par vent fort, sans risque.
Même pour les tâches de maintenance qui nécessitent l’arrêt complet de la rotation de la turbine, ils ne sont généralement utilisés que le temps nécessaire pour installer un mécanisme de verrouillage du rotor. Au lieu d’utiliser ces freins pour contrôler la vitesse de rotation pendant le fonctionnement, des solutions électriques beaucoup plus intelligentes au problème des rafales de vent ont été trouvées, réduisant la quantité d’énergie gaspillée et la quantité d’entretien qui autrement serait nécessaire sur les systèmes de freinage. , et qui peut parfois récupérer l’énergie de la rafale elle-même. La première solution est incroyablement simple.
Éoliennes de type 1 : vitesse fixe
L’éolienne de type 1, parfois appelée éolienne à vitesse fixe, ne se préoccupe en réalité pas beaucoup des changements brefs et transitoires de la vitesse du vent. L’utilisation des propriétés inhérentes d’un générateur à induction résout ce problème sans effort. Dans cette configuration, la sortie du générateur est connectée directement au réseau, et l’inertie du réseau le maintient en grande partie à la vitesse de rotation correcte. Lorsqu’une rafale arrive, le générateur « glisse » simplement un peu au-delà de sa vitesse synchrone, puis revient à un état normal après avoir absorbé la rafale. Si la rafale est trop forte, les turbines de cette catégorie peuvent également utiliser un « frein » électrique qui déverse l’énergie excédentaire dans une batterie de résistances ou un dispositif équivalent, ralentissant légèrement la turbine.
Les avantages des machines à induction à cet égard sont en grande partie la simplicité et le coût ; généralement, seules les petites (ou anciennes) éoliennes utilisent désormais des générateurs à induction simples comme celui-ci en raison de leurs pertes électriques plus élevées par rapport aux autres types de générateurs. Il n’y a pas que les pertes électriques à prendre en compte. Les pertes aérodynamiques liées au fonctionnement à une vitesse fixe peuvent être importantes alors qu’une vitesse de rotor inférieure ou supérieure pourrait autrement être plus efficace. D’autres inconvénients notables incluent l’incapacité de fournir de la puissance réactive au réseau ainsi que leur extrême sensibilité aux variations de tension et de fréquence sur le réseau, ce qui signifie qu’ils se déconnectent plus facilement en cas de transitoires électriques.
Un exemple d’éolienne de type 1 utilisée pour la production d’énergie en vrac est la Zond Z-40, produite dans les années 1980. Les turbines plus petites mais modernes destinées à la production d’électricité domestique ou à la production distribuée peuvent souvent également entrer dans cette catégorie.
Éoliennes de type 2 : vitesse variable
L’éolienne de type 2, également appelée turbine à vitesse variable, tente de résoudre certains de ces problèmes. Un dispositif appelé convertisseur est intégré à la turbine pour contrôler avec précision le champ magnétique à l’intérieur du rotor du générateur. Cela signifie que la turbine peut modifier le glissement à l’intérieur du générateur et, comme son nom l’indique, peut permettre à la turbine de fonctionner à une vitesse de rotation plus efficace sur le plan aérodynamique, même lorsque la vitesse moyenne du vent change. Non seulement cela améliore l’efficacité électrique et aérodynamique, mais en faisant varier le champ magnétique du rotor, la turbine peut fournir ou absorber la puissance réactive du réseau.
Il existe cependant certains inconvénients, principalement en termes de complexité et de coût. Pour contrôler le champ magnétique dans le rotor, une bague collectrice est nécessaire, ce qui peut représenter un équipement nécessitant beaucoup de maintenance par rapport aux turbines de type 1. Le convertisseur lui-même est également un élément de maintenance supplémentaire, et il existe d’autres composants supplémentaires qui augmentent également les coûts, tels que les thyristors qui aident le générateur à se connecter en douceur au réseau. Les avantages du contrôle du rotor l’emportent cependant largement sur les petits inconvénients, et la turbine de type 2 a largement remplacé la turbine de type 1 pour la production d’énergie à grande échelle dans les nouveaux parcs éoliens vers la fin des années 90 et le début des années 2000.
Turbines de type 4 : d’énormes onduleurs
Afin de garder le plus intéressant pour la fin, allons un peu plus loin et discutons de la disposition de la turbine de type 4. Les turbines de type 4 couvrent un large éventail de machines apparemment sans rapport, mais elles ont toutes une chose en commun : la sortie électrique du générateur est « entièrement inversée », ce qui signifie que 100 % de l’énergie générée passe par un système électronique de puissance qui la convertit en tension et fréquence du réseau. Toutes les rafales de vent qui ne sont pas absorbées par le système de pas de la turbine sont simplement gérées par l’électronique de puissance. Ces convertisseurs sont similaires aux convertisseurs utilisés dans les machines de type 2, sauf que les systèmes électroniques de puissance doivent être massifs pour gérer la pleine puissance nominale du générateur de chaque turbine.
Malgré le coût énorme et la complexité des grands systèmes électroniques de puissance, cela ouvre un grand nombre d’autres options de conception. Par exemple, pratiquement n’importe quel générateur peut être utilisé et faire fonctionner à n’importe quelle vitesse. Pour les générateurs AC, cela signifie que la turbine n’a plus besoin de contrôler le champ magnétique du rotor comme le ferait une turbine de type 2 ; même des générateurs à aimant permanent peuvent être utilisés dans ces configurations. Cependant, les générateurs de courant alternatif peuvent souvent nécessiter deux étages de convertisseurs, un pour transformer le courant alternatif généré en courant continu et un autre pour prendre le courant continu et le convertir en tension et fréquence du réseau. Cependant, il est également possible de sauter la première étape de conversion en utilisant directement des générateurs CC, un peu comme l’ont fait les turbines uniques Clipper Liberty avec leur système à quatre générateurs.
Et, en parlant de Clipper, une machine de type 4 peut également permettre de supprimer la boîte de vitesses de la conception. Certaines des plus grandes éoliennes au monde, comme les éoliennes à entraînement direct Siemens Gamesa, sont des exemples d’éoliennes sans boîte de vitesses, que l’on trouve généralement (mais pas toujours) dans des configurations de type 4 entièrement inversées.
Avec les turbines de type 4, puisque toute l’énergie passe par un onduleur, la quantité ou le type d’énergie électrique produite ne fait pratiquement aucune différence. Le seul inconvénient de la machine de type 4 est essentiellement le coût énorme de l’électronique de puissance, ce qui nous amène peut-être à la solution la plus élégante à ce problème.
Type 3 : Générateurs à induction à double alimentation
En combinant tous les avantages de la machine de type 2 avec certains avantages d’une machine de type 4, nous arrivons enfin au générateur à induction à double alimentation, également connu sous le nom de DFIG (prononcez « dee-fig »). Il tire son nom du fait que, contrairement au type 2, le stator et le rotor sont capables d’envoyer de l’énergie au réseau. Au démarrage ou pendant les périodes de faible vitesse du vent, appelées « vitesse sous-synchrone », le convertisseur à rotor tire de l’énergie du réseau pour entraîner le champ magnétique sur le rotor. Cependant, au-dessus de la vitesse synchrone naturelle du générateur, appelée « vitesse super-synchrone », le processus s’inverse et le rotor est capable de générer de l’énergie à la place, la renvoyant via le convertisseur vers le réseau. Cependant, à tous les stades du fonctionnement de la turbine, le champ magnétique du rotor est méticuleusement contrôlé pour maintenir le générateur à la vitesse de rotation idéale.
Non seulement cela permet de contrôler le facteur de puissance du générateur (ce qui signifie que les turbines DFIG peuvent fournir ou consommer de la puissance réactive et soutenir le réseau comme une turbine de type 2) et permet une gestion beaucoup plus robuste des événements de basse tension sur le réseau, cela signifie également qu’un convertisseur beaucoup plus petit est nécessaire puisque seule la puissance du rotor doit être envoyée via l’électronique de puissance. Contrairement à une machine de type 4 où 100 % de la puissance passe par un énorme onduleur, le stator d’une DFIG est connecté directement au réseau, et seul le rotor utilise un convertisseur, ce qui signifie qu’environ les deux tiers de l’énergie de la turbine passent directement au réseau. Les économies de coûts sont significatives et les seuls inconvénients majeurs sont une complexité légèrement accrue des systèmes de contrôle et de la maintenance associée à une bague collectrice.
Le DFIG offre une solution élégante à de nombreux problèmes liés à la conception des éoliennes, même si, comme d’autres types d’éoliennes, la gestion des rafales de vent ne constitue qu’une partie de l’histoire expliquant pourquoi une configuration particulière pourrait être utilisée. Ce n’est pas non plus une technologie souvent utilisée en dehors de l’industrie éolienne, car un contrôle précis d’un générateur n’est généralement pas nécessaire lorsque les vitesses d’entrée sont plus constantes que ce que le vent le permet. Mais les DFIG trouvent une certaine utilité dans les installations de pompage-turbinage où le débit à travers les générateurs hydroélectriques n’est pas constant, et ils peuvent également être utilisés comme un condenseur synchrone pour fournir un support de tension et de fréquence aux réseaux électriques locaux ou isolés.
