Optimisation d'un système de pompage d'eau à l'aide d'une éolienne à vitesse variable

Optimization of a water pumping system using a variable speed wind turbine

• Auteur / Autrice : Soufyane Benzaouia
• Direction : Abdelhamid Rabhi, Smail Zouggar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Automatique
• Date : Soutenance le 19/12/2020
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Université Mohammed Premier Oujda (Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Modélisation, Information et Systèmes (Amiens ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : El Hassan Chadli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhamid Rabhi, Smail Zouggar, Houcine Chafouk, Badre Bossoufi, Kouider Nacer M'Sirdi, Mohamed Elhafyani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Houcine Chafouk, Badre Bossoufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Approvisionnement en eau -- Technique

Moteurs à aimants permanents

Éoliennes de pompage

Mots clés libres

MPPT

Émulateur éolien

Wind turbine

Permanent magnet synchronous generator

Water pumping

Wind turbine emulator

Résumé

L'une des préoccupations actuelles à l'échelle mondiale et l'un des principaux problèmes du développement des zones arides, semi-arides et les régions isolées où l'accès à l’énergie classique est difficile voire pratiquement impossible, c'est l'approvisionnement en eau, soit pour la consommation domestique (de personnes), soit pour l'agriculteur (élevage et irrigation). Compte tenu de l'importance du potentiel éolien et la demande accrue de l'utilisation des systèmes à énergie renouvelable pour le pompage d'eau, les avantages des pompes éoliennes sont énormes : fiabilité, rentabilité à long terme, fonctionnement simple etc...Mais l'inconvénient majeur des systèmes utilisant des énergies propres est qu'ils nécessitent un certain investissement financier dont la durée d'amortissement peut parfois s'avérer longue. Ce projet vise à optimiser le rendement des différents convertisseurs d'énergie et permettra donc de diminuer cette durée. D'un point de vue économique, ceci est donc rentable pour le consommateur. Dans les systèmes de conversion d'énergie éolienne, un contrôle en boucle fermée est nécessaire pour maximiser la puissance d'énergie éolienne capturée. L'inconvénient majeur d'un tel système est le comportement extrêmement non linéaire de l'éolienne / génératrice. Les stratégies de commandes conventionnelles ont montrées une faible résistance aux perturbations externes, de faible performance de convergence et une mauvaise stabilité face à des conditions environnementales changeantes. Les informations précises sur la vitesse du vent et la vitesse de rotation de la génératrice sont essentiellement nécessaires pour faire fonctionner le système à des points de puissance maximale. Dans la plupart des cas, un certain nombre d'anémomètres entourant l'éolienne à une certaine distance sont nécessaires pour fournir des informations adéquates sur la vitesse du vent. Ces capteurs mécaniques augmentent considérablement les coûts d'équipement et de maintenance et réduisent la fiabilité globale du système. Dans cette thèse on s'intéresse à l'étude des systèmes de pompage d'eau à l'aide des éoliennes à vitesse variable. L'objectif vise à développer et à fabriquer un système de pompage d'eau intelligent, d'assurer une utilisation meilleure du système global notamment l'optimisation de la puissance produite par l'éolienne à vitesse variable et l'amélioration du débit pompé. Cette thématique de recherche s'articule autour des axes suivants : la modélisation et le dimensionnement des éléments du système éolien et de la pompe, l'étude des convertisseurs adéquats à l'éolienne à vitesse variable et au moteur-pompe, l'étude des commandes MPPT pour réguler et pour maximiser la puissance générée par l'éolienne, la proposition des commandes robustes pour améliorer le fonctionnement du système éolien et du groupe moteur pompe. Ce projet vise également : l'élimination des capteurs mécaniques (vitesse du vent, position et vitesse de rotation) dans une commande de maximisation de la puissance (Maximum Power Point Tracking). L'idée consiste à utiliser des observateurs d'états capables d'estimer les grandeurs mécaniques en utilisant des capteurs moins coûteux

One of the current concerns on a global scale and one of the main problems in the development of arid, semi-arid and isolated regions where access to conventional energy is difficult if not practically impossible, is 'water supply, either for domestic consumption (by people), or for the farmer (breeding and irrigation). Considering the importance of wind potential and the increased demand for the use of renewable energy systems for pumping water, the advantages of wind pumps are enormous: reliability, long term profitability, simple operation etc ... But the major drawback of systems using clean energy is that they require a certain financial investment, the payback period of which can sometimes prove to be long. This project aims to optimize the efficiency of the various energy converters and will therefore reduce this duration. From an economic point of view, this is therefore profitable for the consumer. In wind power conversion systems, closed loop control is required to maximize the captured wind energy power. The major drawback of such a system is the extremely non-linear behavior of the wind turbine / generator. Conventional control strategies have shown poor resistance to external disturbances, poor convergence performance, and poor stability in the face of changing environmental conditions. Accurate wind speed and generator rotational speed information is essentially needed to operate the system at maximum power points. In most cases, a number of anemometers surrounding the wind turbine at a distance are needed to provide adequate information on wind speed. These mechanical sensors increase considerably equipment and maintenance costs and reduce the overall reliability of the system. In this thesis, we are interested in the study of water pumping systems using variable speed wind turbines. The objective is to develop and manufacture an intelligent water pumping system, ensuring better use of the overall system, in particular the optimization of the power produced by the variable speed wind turbine and the improvement of the pumped water flow. This research theme revolves around the following axes: modeling and sizing of the elements of the wind power system and the pump, the study of suitable converters for the variable speed wind turbine and the pump motor, the study of MPPT controls to regulate and maximize the power generated by the wind turbine, the proposal of robust controls to improve the operation of the wind power system and the pump motor unit. This project also aims: the elimination of mechanical sensors (wind speed, position and speed of rotation) in a power maximization control (Maximum Power Point Tracking). The idea consist to use state observers capable of estimating mechanical quantities using less expensive sensors