La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 ETUDE ET COMMANDE DE GÉNÉRATRICES ASYNCHRONES POUR L' UTILISATION DE L' ÉNERGIE ÉOLIENNE - Machine asynchrone à cage autonome - Machine asynchrone à

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 ETUDE ET COMMANDE DE GÉNÉRATRICES ASYNCHRONES POUR L' UTILISATION DE L' ÉNERGIE ÉOLIENNE - Machine asynchrone à cage autonome - Machine asynchrone à"— Transcription de la présentation:

1 1 ETUDE ET COMMANDE DE GÉNÉRATRICES ASYNCHRONES POUR L' UTILISATION DE L' ÉNERGIE ÉOLIENNE - Machine asynchrone à cage autonome - Machine asynchrone à double alimentation reliée au réseau Directeur de Thèse : René LE DOEUFF Encadrant : Mohamed MACHMOUM

2 2 PLAN DE LETUDE 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens Présentation du système éolien global Problèmes posés par une chaîne de conversion éolienne Solutions électrotechniques 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome Performances en régime équilibré et déséquilibré Limites de fonctionnement 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne Modélisation du vent et de la turbine Commande dune MCC 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice Topologie des machines à double alimentation Modélisation de la machine en vue de la commande Synthèse des régulateurs Résultats et association avec le simulateur de turbine

3 3 Energie éolienne, qualité et développement : Puissance installée en GW en Europe fin 2002 : Programme EOLE 2005, lancé par lADEME en 1996 : Objectif 0,5 GW en France dici ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens Energie propre sans rejet atmosphérique Géographiquement diffuse Source dénergie (vent) généralement plus importante en hiver Captage et conversion de lénergie complexe Matériaux coûteux Source dénergie (vent) aléatoire

4 4 Conversion de lénergie Puissance disponible sur larbre de la génératrice : Exemple dévolution du coefficient de puissance Vitesse fixe Vitesse variable 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

5 5 Systèmes de régulation de vitesse et production optimale dénergie Système "stall" Système " pitch" Fonctionnement de l'éolienne à C p max. quelle que soit la vitesse du vent : C p =C pmax pour = opt 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

6 6 Conversion électromécanique machine asynchrone MAS à cage directement reliée au réseau MAS à cage reliée au réseau par redresseur- onduleur Machine asynchrone à double alimentation structure de Scherbius 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

7 7 Conversion électromécanique machines à structures spéciales MS discoïde modulaire à champ axial Machine à réluctance variable non- excitée Machine à réluctance variable excitée par des courants statoriques triphasés 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

8 8 Raccordement des éoliennes 2 modes de fonctionnement Fonctionnement autonome Raccordement au réseau Machine asynchrone auto-excitée robustesse faible coût Machine asynchrone à double alimentation (Scherbius) vitesse variable taille du convertisseur réduite 1 ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

9 9 objectifs Modéliser le phénomène dauto-excitation en régime équilibré et déséquilibré Modèle diphasé de la machine asynchrone Modèle de la charge et des capacités basé sur une transformation étoile – triangle Validation du modèle par comparaison aux essais expérimentaux Etude des performances et des limites dutilisation à laide du modèle établi 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

10 10 Machine asynchrone auto-excitée Modèle diphasé 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

11 11 Importance de la saturation magnétique Simulation d'un amorçage de la tension statorique 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

12 12 Identification de l'inductance magnétisante Essai au synchronisme sous tension variable Relevé des couples de points (I M,M) 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

13 13 Fonctions de R a,b,c, L a,b,c, C a,b,c Prise en compte du régime déséquilibré Z n =R n +L n Z i,j =R i,j +L i,j 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

14 14 Architecture du modèle global 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

15 15 Validation du modèle (essai d'amorçage et de désamorçage) Coïncidence des délais d'amorçage et des amplitudes théoriques et expérimentaux 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

16 16 Fonctionnement en régime déséquilibré Simulation Expérimental Capacités équilibrés (33 µF) déconnexion soudaine de lune des 3 charges : Concordance de la durée du régime transitoire et des amplitudes 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

17 17 Mise en évidence du déséquilibre ondulations 100 Hz 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

18 18 Evolution de la tension en fonction de la puissance débitée À capacité fixée, Il existe un point de fonctionnement limite au delà duquel la machine se désamorce 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

19 19 Influence d'une charge résistive À capacité fixée, la résistance de charge est réduite jusqu'au désamorçage de la machine 19,5 % 23,5 % 29,7 % 5,6 % 3,9 % 2 % 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

20 20 Influence d'une variation de vitesse Variation de la vitesse de 5 % (3000 à 2850 tr/min) Variation de la tension générée de 14 % (250 V à 215 V) Variation de la fréquence statorique de 4,5 % (48,2 à 46 Hz) 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

21 21 Bilan Modélisation simple basée sur : oUn modèle de machine diphasé oUn modèle de la charge et des capacités indépendant Importance de la saturation et donc de l'identification de l'inductance magnétisante Limites de fonctionnement dues aux variations de tension et de fréquence Amélioration par interface d'électronique de puissance (alourdissement du dispositif) 2 ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

22 22 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne objectifs Placer les génératrices à létude dans un contexte proche de celui dune éolienne réelle Utilisation doutils existants pour la modélisation du vent Utilisation des équations statiques de la turbine éolienne Etablissement dune consigne de vitesse à partir dun modèle de turbine et commande dune MCC à partir de cette consigne de vitesse Commande robuste Adaptabilité du dispositif

23 23 Architecture générale du simulateur Dispositif mécanique Dispositif électrotechnique Modélisé sous Simulink MCC réelle Modélisé sous Simulink 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

24 24 Modélisation du vent Décomposition spectrale de Van der Hoven 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

25 25 Modélisation de la turbine Calcul du coefficient de puissance Etablissement du couple mécanique de léolienne Equation mécanique Multiplicateur de vitesse 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

26 26 Commande de la machine à courant continu Modèle de la MCC Commande LQG Commande sans capteur, seule la mesure de courant est utilisée 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

27 27 Simulation de lensemble turbine + modèle de MCC Saturation de la vitesse de référence Saturation correspondant à la tension max générée par le hacheur 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

28 28 Résultats de simulation (éolienne libre) Profil de vent établi à partir de la décomposition spectrale Vitesse de consigne et vitesse mesurée de la machine à courant continu 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

29 29 Essais de lensemble turbine + MCC réelle MCC Leroy-Somer 10kW Omega ref Omega 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

30 30 Bilan Etude de différentes génératrices dans un contexte proche dun système éolien réel Adaptation dun algorithme de commande LQG robuste. Bonne corrélation entre résultats théoriques et expérimentaux 3 ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne

31 31 objectifs Etablissement dun modèle diphasé de la MADA Mise en place dune stratégie de commande permettant le fonctionnement en génératrice dans le contexte dun système éolien Synthèse de trois régulateurs linéaires de philosophies différentes Evaluation des performances par divers essais puis par lassociation avec un modèle de turbine 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

32 32 Topologie des machines asynchrones à double alimentation Analogie de fonctionnement avec la machine synchrone : Machine synchrone : r dépendant de la position mécanique de la machine MADA : r entièrement contrôlable par lalimentation du rotor 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

33 33 Objectif de la commande P : Puissance active échangée entre le stator et le réseau Q : Puissance réactive échangée entre le stator et le réseau kl : Facteur de puissance du convertisseur réseau U DC : Tension du bus continu 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

34 34 Modélisation en vue de la commande Etablissement de la référence de puissance Essai en boucle ouverte : A vitesse de vent donnée : La consigne de puissance augmente jusquà ce que lensemble turbine+MADA atteigne la vitesse de rotation optimale Etablissement dun abaque : P ref =f(V vent ) Commande de la machine en puissances active et réactive 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

35 35 Modélisation en vue de la commande (choix du référentiel et simplifications) Hypothèses de travail : Résistance de phase R s négligée Réseau stable donc flux de la machine constant Référentiel diphasé lié aux flux avec le vecteur flux aligné sur l'axe d ; 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

36 36 Modélisation en vue de la commande (Equations) 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

37 37 Modèle interne simplifié de la machine 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

38 38 Cahier des charges de la commande Bonne précision statique de façon à obtenir une production optimale d'énergie et un facteur de puissance unitaire Dynamique électrique aussi élevée que possible malgré les dynamiques mécaniques lentes, sans engendrer de dépassements pouvant nuire à la durée de vie de la machine Bon rejet des perturbations qui peuvent être nombreuses sur un tel système Robustesse face aux éventuelles variations paramétriques du dispositif 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

39 39 Principe de la commande P=Ki qr Q=K 1 I dr +K 2 Lien entre puissances statoriques et courants rotoriques Principe des contrôles direct et indirects pour l'axe q : Régulateurs : PI avec compensation de pôles RST placement de pôles LQG 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

40 40 Structures des régulateurs Régulateur à action Proportionnelle - Intégrale Régulateur polynomial RST basé sur la théorie du placement de pôles robustes Régulateur multivariable basé sur la minimisation d'un critère quadratique 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

41 41 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice Caractéristiques des régulateurs PI : Robustesse médiocre face aux incertitudes paramétrique et de modélisation Pas de prise en compte des perturbations et peu de degrés de liberté pour le réglage RST : Prise en compte des perturbations Bonne gestion du compromis rapidité / performances LQG : Nombreux degrés de liberté pour le réglage Bonne efficacité face aux incertitudes paramétrique et de modélisation

42 42 Performances (suivi de consigne contrôle indirect) N=1450 tr/min ; à t=2s, P ref =-5kW ; à t=2,5s, Q ref =2kVAR : Contrôle indirect : oscillations très faibles sur les courants 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

43 43 Performances (variation de vitesse en échelon) Contrôle direct Contrôle indirect P ref =-5kW ; Q ref =2kVAR ; à t=2s, N passe de1350 tr/min à 1450 tr/min Contrôle indirect : régulateur LQG pratiquement insensible à la variation de vitesse 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

44 44 Performances (robustesse vis à vis des variations de paramètres) Conditions de l'essai : Résistances R s et R r doublées, Inductances magnétisante M divisée par 2 Contrôle indirect : A t=2s, Q ref =2kVAR ; à t=2,5s, P ref =-5kW ; à t=3s, N passe de1350 tr/min à 1450 tr/min Le régulateur LQG reste le plus performant malgré la présence d'oscillations 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

45 45 Essais avec le simulateur (schéma synoptique) 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

46 46 Essais avec le modèle de turbine (Résultats des trois régulateurs) -La présence de londuleur minimise les différences entre les régulateurs - Meilleure régularité du régulateur LQG 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

47 47 Banc d'essais en cours de développement 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

48 48 Interface graphique DSPACE control desk 4 ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

49 49 Conclusions Etude de deux systèmes de production d'énergie (autonome et relié au réseau) et d'un simulateur de turbine. Modélisation simple du phénomène d'auto-excitation de la machine à cage en régime déséquilibré. Faibles différences théorie / pratique dues aux incertitudes sur la caractéristique de magnétisation. Réalisation théorique et expérimentale d'un simulateur de turbine adaptable. Comparaison de trois régulateurs linéaires pour la commande de la MADA en génératrice.

50 50 Perspectives Finalisation du banc dessais en cours de développement Etude de la commande du deuxième convertisseur de la MADA pour autoriser la bidirectionalité du transfert de puissance Intégration du dispositif sur un micro-réseau à létude au laboratoire Modélisation plus fine du phénomène de saturation dans les machines asynchrones Dispositif de stockage d'énergie et optimisation technique et économique de la chaîne de conversion

51 51 Merci de votre attention.


Télécharger ppt "1 ETUDE ET COMMANDE DE GÉNÉRATRICES ASYNCHRONES POUR L' UTILISATION DE L' ÉNERGIE ÉOLIENNE - Machine asynchrone à cage autonome - Machine asynchrone à"

Présentations similaires


Annonces Google