Eoliennes à vitesse variable basées sur des machines

Etude d’éoliennes à vitesse variable 

basées sur des machines asynchrones 

(MAS-MADA) 

Equipe : Conversion et qualité de l’énergie 

M. Machmoum, Machmoum, 

F. Poitiers, L. Moreau et M.E. Zaïm, Zaïm, 

R. Le Doeuff 

LARGE-GE44, LARGE GE44, Bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint Nazaire Cedex 

email : mohamed.machmoum 

mohamed. machmoum@polytech polytech.univ univ-nantes. nantes.fr fr

Plan 

• Rappels sur la conversion de l’énergie éolienne : objectifs 

et génératrices utilisées 

• Machine asynchrone à cage : fonctionnement en 

autonome 

• Machine asynchrone à cage à vitesse variable 

• Machine asynchrone à double alimentation connectée sur 

le réseau. 

• Conclusions et Perspectives

C p 

P m 

45 

40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

Rappels sur la conversion d’énergie 

0 

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 

16000 

14000 

12000 

10000 

8000 

6000 

4000 

2000 

λ 

8 m.s -1 

4 m.s -1 

7 m.s -1 

6 m.s -1 

5 m.s -1 

λ 

0 

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 

Ω 

par éolienne 

Courbe C p(λ) (spécifique à chaque éolienne). 

C p : coefficient de puissance 

λ : Rapport d ’avance (vitesse de l’extrémité 

des pales sur la vitesse du vent). 

Dimension 

Densité de 

d ’une pale 

l ’air 

Vitesse 

’air 

Vitesse du 

vent 

1 2 

2 3 

Pm= ( ) 1 

2 1 

Puissance mécanique disponible en 

fonction de la vitesse du générateur 

pour différentes vitesses de vent. 

p 

R 

C R V 

KV ρπ 

Ω

P m 

16000 

14000 

12000 

10000 

8000 

6000 

4000 

2000 

Objectifs de cette conversion 

8 m.s -1 

4 m.s -1 

7 m.s -1 

6 m.s -1 

5 m.s -1 

0 

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 

Ω 

En vitesse fixe : le maximum 

théorique n’est pas atteint 

En vitesse variable : La puissance 

maximale est exploitée pour toutes 

les vitesses du vent (régulation de 

λ optimal pour avoir Cp 

maximum)

MAS 

MASDA 

MAS 

R-L 

Génératrices utilisées 

RESEAU DE 

DISTRIBUTION 

C1 

U 

RESEAU DE 

DISTRIBUTION 

Machine asynchrone en autonome. 

* Nécessité de capacités d’autoexcitation 

pour magnétiser la machine. 

Machine asynchrone à cage débitant 

sur un réseau. 

* Obligation de fonctionner au 

voisinage du synchronisme. 

Autorise le fonctionnement à 

vitesse variable ( MAS ou 

MADA).

3 

GS 

Génératrices utilisées 

Machine synchrone à aimants permanents 

(MSAP) 

* bon rendement, faibles puissances, 

adaptée aux faibles vitesse mais prix 

élevé. 

Machine à réluctance variable (MRV) 

permettant de supprimer totalement ou 

partiellement le multiplicateur de 

vitesse. 

* Etudes actuellement en cours.

Machine asynchrone à cage en 

fonctionnement autonome 

TURBINE 

EOLIENNE 

Ω m Γ 

R 

V abc 

MAS 

(modèle de 

PARK) 

MAS 

i abc 

R L CHARGE 

Charge + 

excitation 

V abc 

Modèle diphasé associé à une transformation étoile-triangle côté charge 

méthode simple d’étude de régimes déséquilibrés, gain en temps de calcul et 

modèles indépendants machine - charge/excitation. 

Paramètres : Machine LS, 3 kW, p=1, 220/380 V, J=0.117 kg.m 2 , f=5.10 -3 N.m.s -1

E 

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

E 



R r /g 

C=30µF 

C=40µF 

l g 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 

C=35µF 

I m 

I M 

M 

Points de fonctionnement pour différentes 

valeurs de capacités 

M 

Valeur de la mutuelle M (H) 

E 

0.5 

0.45 

0.4 

0.35 

0.3 

0.25 

0.2 

I C 

C 

R 

x : points expérimentaux 

-: Approximation polynomiale 

0.15 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 

Courant magnétisant Im (A) 

Prise en compte de la saturation 

I m

Vsa (V) 

Vsc (V) 

400 

200 

0 

-200 

-400 

0 

400 

200 

0 

-200 

-400 

0 



Voltage build-up 

2 s 

1 2 3 4 5 6 7 8 

time (s) 

Stator voltage of phase c 

Tensions stator des phases a et c 

Stator voltage of phase a 

2 s 2 s 

1 2 3 4 

Time (s) 

5 6 7 8 

Simulation Relevé expérimental 

Processus d ’amorçage en régime équilibré

Vsc (V) 

400 

300 

200 

100 

-100 

-200 

-300 

0 



Voltage fall-down 

Stator voltage of phase c 

-400 

20 22 24 26 28 30 

Time (s) 

32 34 36 38 40 

Ca=Cb Ca= Cb=Cc=28.5 =Cc=28.5 µF, , Ω=3000 =3000 tr/min, essai à vide 

Déconnexion brusque d’un condensateur ou de la charge 

Ca=Cb Ca= Cb=Cc=33 =Cc=33 µF, , Ω=3000 =3000 tr/min, Ra=Rb Ra= Rb=Rc Rc=1k =1kΩ 

100 V/div 

1s/div 

100 V/div 

1s/div 

Simulation Relevé expérimental

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 



0 

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 

t(s) 

Tension 

stator (V) 

260 

240 

220 

200 

180 

160 

140 

28µF 

∆V 

Influence d’une charge purement résistive 

Vitesse (rad/s) 

Tension (V) 

Fréquence (Hz) 

Influence d’un impact de vitesse 

BILAN 

32µF 

∆V 

36µF 

∆V 

120 

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 

P (W) 

* Impossibilités d’utiliser des charges 

exigeantes en tension et fréquence. 

* Risque de démagnétisation. 

* Fonctionnement sur une plage de 

vitesse restreinte. 

autres solutions !

• Avantages de la vitesse variable 

Vitesse variable 

• Optimisation de l’énergie captée 

• Contrôle du transfert de puissance et énergie propre envoyée sur 

le réseau. 

• Inconvénients de la vitesse variable 

• Utilisation de machines spéciales 

• Convertisseur de puissance « complexe »

Génératrice asynchrone 

à vitesse variable 

• nécessité d’utiliser un convertisseur de fréquence (ac ( ac/dc dc dc/ac dc ac) 

• ac/dc ac dc 

redresseur à diodes associé à un convertisseur dc/dc dc dc 

(machines synchrones) 

redresseur à MLI (machines asynchrones) 

• gestion du transfert de puissance entre le redresseur à MLI et 

l’onduleur (régulation du bus continu) et le placement au point 

de puissance optimum de l’éolienne. 

2 approches possibles : approche source de courant ou 

approche source de tension.

MAS associée à un redresseur MLI 

Régulation de Puissance (1) 

• Vdc régulée par l ’onduleur, le redresseur fixe le couple 

• Commande vectorielle de la MAS sur modèle diphasé : 

Cref = Pref/Ωrotor et Ψref constant 

Vitesse 

du vent 

Génératrice 

asynchrone 

Vitesse de rotation 

rotor 

Algorithme de 

placement au point 

optimal de 

fonctionnement 

Puissance 

de référence 

÷ 

Flux de référence 

Couple 

de référence 

Redresseur MLI 

Commande 

vectorielle 

Vdc


Régulation de Puissance (2)


Régulation de Vdc (1)


Régulation de Vdc (2) 

Vitesse déclenchement 

• t=1.15s Pref=Pnom/4 et à t= 2s Pref=Pnom/2 Equilibre puissance assuré - bon choix du 

rendement de l’ensemble convertisseur machine. 

• Bonne régulation de Vdc à l’aide d ’un PI + compensation.

Avantages : 

Machine asynchrone à double alimentation 

(MADA) sur le réseau (fortes puissances) 

MASDA 

P (f) 

• transfert bidirectionnel de la puissance rotorique. 

fonctionnement hypo. ou hypersynchronisme, hypersynchronisme, 

donc large plage de vitesse. 

• Convertisseur rotorique de faible puissance. 

• meilleure utilisation de la machine : puissance élevée au delà du synchronisme 

possibilité de fonctionner à vitesse élevée du vent. 

• Mode « MPTM » au dessous de Ωs s et couple constant au delà de Ωs. 

gP 

(gf) 

C1 

U 

(f) 

RESEAU 

P(1+g) 

(f)


(MADA) 

Tensions statoriques et 

rotoriques 

⎧ d 

⎫ 

V ds = R sI ds + ψ ds − θ� ⎪ sψ qs 

⎪ dt 

⎪ 

⎨ ⎬ 

⎪ d 

V qs = R sI qs + ψ qs + θ� sψ ⎪ 

ds 

⎪⎩ dt 

⎪⎭ 

⎧ d 

⎫ 

V dr = R r I dr + ψ dr − θ� ⎪ rψ qr 

⎪ dt 

⎪ 

⎨ ⎬ 

⎪ d 

V qr = R sI qr + ψ qr + θ� rψ ⎪ 

dr 

⎪⎩ dt 

⎪⎭ 

• Contrôle de la puissance active et réactive 

Modèle diphasé : 

Flux statoriques et rotoriques : 

⎧ψ= L I + M I ⎫ 

ds s ds dr 

⎪ 

ψ qs L sI qs M I 

⎪ 

⎪ = + qr ⎪ 

⎨ ⎬ 

⎪ψdr = L r I dr + M I ds ⎪ 

⎪ψqr L r I qr M I ⎪ 

⎩ = + qs ⎭ 

Equation m écanique : 

d Ω 

Γ m = Γ e + J + f Ω 

dt 

ψ 

Γ 

V 

e 

ds 

ds 

= 

= ψ 

= 

− 

0 

p 

s 

M 

Ls 

et 

et 

I 

qr 

V 

ψ 

ψ 

qs 

qs 

ds 

= 

= 

V 

s 

0 

≅ 

ω 

s 

ψ 

ds

V q 

V d 


(MADA) 

M 

gω 

ψ 

1 

1 

s ds 

L s 

K inv 

+ pT 

K inv 

+ pT 

inv 

inv 

+ 

V qr 

+ 

V dr 

- 

ν 2 

ν 3 

Modèle interne de la MADA 

ν 1 

- 

+ 

Rr + 

1 

p( Lr 

− 

2 

M 

) 

L 

2 

M 

gωs( Lr 

− ) 

L 

gωs( Lr 

− 

2 

M 

) 

L s 

1 

Rr + p( Lr 

− 

2 

M 

) 

L 

s 

s 

s 

I qr 

I dr 

2 

V s 

L ω 

s s 

− 

− 

MV 

L 

s 

MV 

L 

s 

s 

s 

+ 

ν 4 

+ 

P 

Q


(MADA) 

( ) ( 4 ) 

t ( ) 

t t 

⎧ ⎪xd= 

i d,v dr ,xdw = Q ref υ3υ ,u= v d, 

⎨ 

⎪⎩ e= Q− Q ref ,y = id Qref 

υ3 

⎧ ⎛ x�ˆ ⎞ d ⎛ xˆd ⎞ ⎛B1,d ⎞ 

⎪( θ d) : ⎜ ⎟= ( Ad− LdCy,d) ⎜ u Ldy ˆx 

ˆx 

⎟+ ⎜ ⎟ + 

⎪ ⎜�⎟ dw 

dw 0 

⎪ ⎝ ⎠ 

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 

⎨ 

−Kd 

⎪ �� 

⎛ ˆx d ⎞ 

⎪u= vd =−⎡⎣K1,d 

K2,d⎤⎦⎜ 

ˆx 

⎟ 

⎪⎩ ⎝ dw ⎠ 

objectif : synthétiser un observateur θ donnant u 

tq e=0 quelle que soit w. 

Les poles de (A d -L d C y,d ) sont placés en respectant 

un horizon de filtrage -ω f =-1/T f et de commande 

donnés. 

Même démarche pour l’axe q . 

ω 

u 

Q ref 

ν4 ν3 V d 

Y : mesures, e :signaux d ’erreurs à réguler 

u : commande, w : perturbations et références 

Kinv 

1+ 

pT 

P 

inv 

V dr 

-K d 

+ 

- 

Xˆ , ˆ 

d Xdω 1 

2 

M 

Rr+ p( Lr− 

) 

L 

θd observer 

s 

I dr 

MVs 

− 

L 

s 

+ 

+ 

Contrôle de la puissance réactive - Schéma standard 

Q 

+ 

- 

e 

y

Test 1 : 


(MADA) 

Régulateurs monovariables utilisés : IP, RST, Observateur 

• Poursuite : échelon de puissance active ∆P= P=-5kW 5kW à t=1s 

suivi d’un échelon de puissance réactive ∆P= P= 2kVar à t=2s 

• Sensibilité aux perturbations : échelon de vitesse ∆Ω=(318 ∆Ω=(318-260) 

260) rd/s rd/s 

à t=3s 

Test 2 : 

• mêmes échelons en puissances avec variation aléatoire de la vitesse 

• Robustesse vis-à-vis vis vis de la résistance rotorique

vsa 

isa*20 isa*20 

P 

Q 

Ω 


(MADA) 

Réponses à des impacts de puissance active, de puissance réactive et de vitesse 

• meilleur découplage avec le RST qu’avec le PI 

• temps de réponse : RST : tr=45ms , PI : tr=130ms 

• échelon Ω : RST 

∆P=150W P=150W (3%) et ∆Q=100Var Q=100Var (5%) 

PI 

∆P=1300W P=1300W (26%) et ∆Q= Q= 1000Var (50%) pour le PI.

vsa 

isa*20 isa*20 

P 

Q 

Ω 


(MADA) 

Performances du système suite à des variations aléatoires de la vitesse 

• Performances altérées avec le PI. 

• Bonnes performances avec le RST : ∆P P et ∆Q Q < 5%. 

• Courant stator quasi constant.

Rr 

P 

Q 

Ω 


(MADA) 

Variations aléatoires de la vitesse + test robustesser 

• Performances médiocress avec le PI. 

• Bonnes performances avec le RST : ∆P P et ∆Q Q < 5%. 

• Courant stator quasi constant et robustesse via à vis de Rr. 

Rr

Vvent 

Synoptique du simulateur (macroscopique) de 

la turbine éolienne 

Coefficient de puissance 

Cp de l'éolienne 

1R 

λ 

V 

Ω 

= 

K 

Ω1 

vent 

Dispositif mécanique (éolienne) 

Calcul du couple 

généré par l'éolienne 

1 C p 

Γ = ⋅π ⋅ ρ ⋅ ⋅R ⋅V 

m 

2 λ 

Γ r 

3 2 

Ω =Ω 

mesuré 

Γ m 

Calcul 

du 

couple 

Pmesuré 

2 

MADA 

f 

- 

Γ 

r 

Equation 

mécanique 

1 

Js f 

+ 

Ω2 

Multiplicateur 

de vitesse 

Ω1ref 

M 

1 

K 

AC/AC 

Vitesse de référence (rad/s). 

Ω2ref 

Vitesse mesurée (avec l’observateur) (rad/s).

Evolution des travaux 

� Analyse du fonctionnement de l’ensemble : simulateur - MCC - MADA. 

� Validation expérimentale des lois de commande mono-variables établies en 

simulation pour la commande de la MADA. 

� Etude d'une commande robuste de la MADA par une approche multi-variable 

�� Prise en compte de la saturation 

�� Comparaison de la MADA avec la MAS à cage en prenant en compte les les 

considérations de rendement. 

�� Thèse en cours : Machines lentes (MRV)

MADA (7.5 kW) MCC (10kW) 

Dispositif de 

production 

d’énergie à 

étudier 

Banc d’essai MADA 

Moteur 

d’entraînement 

destiné à simuler 

le comportement 

d’une éolienne 

Dispositif de commande 

(Onduleur +PC 

+ carte d’interface DSP)

Eoliennes à vitesse variable basées sur des machines

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