Aide à la décision pour la définition d'un système éolien, adéquation au site et à un réseau faible

Decision support for the definition of wind turbine systems adequacy to site specificities and weak electrical networks

• Auteur / Autrice : Abdelaziz Arbaoui
• Direction : Jean-Pierre Nadeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éoliennes

Conception technique

Résumé

Nous présentons une méthode d’aide à la décision pour la définition d’un système éolien qui prend en compte les composants du système, les spécificités du vent et du réseau de distribution proche du site. La démarche globale utilisée permet, par l’utilisation des outils de l’analyse fonctionnelle et par l’analyse des flux fonctionnels, de mettre en place des modèles utiles pour l’aide à la décision en définition préliminaire d’un système éolien. L’ensemble complet de solutions est déterminé par un moteur d'inférence CSP (Constraint Satisfaction Problem) qui recherche la satisfaction de toutes les contraintes. La capacité intrinsèque d’un modèle à produire une aide à la décision en conception préliminaire est estimée au travers des quatre caractéristiques suivantes : la parcimonie, l’exactitude, la précision et la spécialisation du modèle. Le modèle global intègre des connaissances issues du fabricant, du distributeur et de l’investisseur pour calculer les critères qui permettent de discriminer les alternatives de conception. Une alternative est définie par un site (vent et réseau) et une architecture du système éolien (7 variables de conception). Les critères, nécessaires à la prise de décision, calculés sont : le coût du kWh produit, la quantité de l’énergie produite, le coût total actualisé du projet. Concernant la connexion au réseau, nous avons pris en compte les variations lentes de la tension et le phénomène de Flickers. Nous avons cherché, en premier lieu, à déterminer le taux maximal de pénétration de la production éolienne dans un réseau de distribution donné. En deuxième lieu, nous avons examiné deux alternatives de solution pour l’amélioration de l’intégration des systèmes éoliens dans les réseaux de distribution, c'est-à-dire l’intégration d’un système du contrôle de la puissance réactive et l’intégration d’un système de stockage inertiel. La solution du stockage inertiel malgré un avantage lié au service système semble être plus coûteuse que le contrôle de la puissance réactive pour cette application. Nous avons montré l’intérêt de l’intégration des spécificités du site d’implantation dans le processus de prise de décision au travers d’une application sur trois sites différents (un site méditerranéen, et deux du nord de l’Europe). Les gains obtenus sur le coût du kWh sont importants pour les sites méditerranéens et la plupart des variables de conception influencent fortement ce coût. L’étude a également montré la possibilité d’adapter les choix technologiques au contexte du réseau dans le site. Le taux de pénétration peut être augmenté considérablement pour les sites dont le rapport X/R est grand en utilisant des systèmes à vitesse variable.

A decision support system for the definition of wind turbine systems is developed by taking into account the wind and site characteristics, the wind turbine components and the electrical network properties close to the site. The approach is based on functional analysis, on the investigation of the functional fluxes and on the definition of a model suitable for supporting decision at the preliminary stages of wind turbine design. The complete set of solutions derived from the model is determined using a Constraint Satisfaction Problem solver. The intrinsic capability of the model to support decision is derived from the investigation of the model parsimony, precision, exactness and specialisation. The model takes into account performance criteria resulting from knowledge of manufacturers, distributors and investors. These criteria are used to discriminate design alternatives. Design alternatives correspond to choices of site (wind, electric network) and wind turbine architectures (related to 7 design variables). Performance criteria are the cost of electric kWh, the amount of energy being produced and the discounted total cost of the project. Electric network connection to wind turbines is taken into account through slow variations of the voltage and Flickers phenomenon. First, the maximal rate of penetration of the wind turbine energy production is determined. Next, two design alternatives have been investigated to improve wind turbine system integration in electric distribution networks. These alternatives are a reactive power control system and an inertial energy storage system. Inertial storage systems seem to be more expensive than reactive power control systems for this type of application. The influence of site specificities on decision making process has been established through three different sites (a Mediterranean site and two sites located in northern Europe). Profits relative to the cost of kWh appear to be high for Mediterranean sites. Most of the design variables defining wind turbine architectures have a great influence on this cost. Investigations corroborate the necessity to adapt technological choices to the requirements of electric distribution network. Penetration rates may be greatly improved for the sites characterized by high “X/R” ratios using variable speed systems.