ETUDE ET COMMANDE DE GÉNÉRATRICES ASYNCHRONES POUR L' UTILISATION DE L' ÉNERGIE ÉOLIENNE

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. PLAN DE L’ETUDE • 1ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens • Présentation du système éolien global • Problèmes posés par une chaîne de conversion éolienne • Solutions électrotechniques • 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome • Performances en régime équilibré et déséquilibré • Limites de fonctionnement • 3ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne • Modélisation du vent et de la turbine • Commande d’une MCC • 4ème 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. Energie propre sans rejet atmosphérique Géographiquement diffuse Source d’énergie (vent) généralement plus importante en hiver Captage et conversion de l’énergie complexe Matériaux coûteux Source d’énergie (vent) aléatoire Puissance installée en GW en Europe fin 2002 : Programme EOLE 2005, lancé par l’ADEME en 1996 : Objectif 0,5 GW en France d’ici 2005 Energie éolienne, qualité et développement : 1ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens

4. Conversion de l’énergie Puissance disponible sur l’arbre de la génératrice : Exemple d’évolution du coefficient de puissance 1ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens Vitesse fixe Vitesse variable

5. Systèmes de régulation de vitesse et production optimale d’énergie Fonctionnement de l'éolienne à Cp max. quelle que soit la vitesse du vent : Cp=Cpmax pour = opt  Système "stall" 1ère PARTIE : Généralités sur les systèmes éoliens Système " pitch"

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

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

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

9. 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome objectifs • Modéliser le phénomène d’auto-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 d’utilisation à l’aide du modèle établi

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

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

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

13. Prise en compte du régime déséquilibré Zn=Rn+Ln Zi,j=Ri,j+Li,j 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome Fonctions de Ra,b,c, La,b,c, Ca,b,c

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

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

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

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

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 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

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

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) 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome Variation de la fréquence statorique de 4,5 % (48,2 à 46 Hz)

21. Bilan • Modélisation simple basée sur : • Un modèle de machine diphasé • Un 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) 2ème PARTIE : Machine asynchrone auto-excitée autonome

22. 3ème PARTIE : Simulateur analogie de turbine éolienne objectifs • Placer les génératrices à l’étude dans un contexte proche de celui d’une éolienne réelle • Utilisation d’outils existants pour la modélisation du vent • Utilisation des équations statiques de la turbine éolienne • Etablissement d’une consigne de vitesse à partir d’un modèle de turbine et commande d’une MCC à partir de cette consigne de vitesse • Commande robuste • Adaptabilité du dispositif

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

33. Objectif de la commande 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice 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 UDC : Tension du bus continu

34. Modélisation en vue de la commande Etablissement de la référence de puissance Essai en boucle ouverte : 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice A vitesse de vent donnée : La consigne de puissance augmente jusqu’à ce que l’ensemble turbine+MADA atteigne la vitesse de rotation optimale Etablissement d’un abaque : Pref=f(Vvent) Commande de la machine en puissances active et réactive

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

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

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

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 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice

39. Principe de la commande Lien entre puissances statoriques et courants rotoriques P=Kiqr Q=K1Idr+K2 Principe des contrôles direct et indirects pour l'axe q : 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice Régulateurs : PI avec compensation de pôles RST placement de pôles LQG

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

41. 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 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice LQG : Nombreux degrés de liberté pour le réglage Bonne efficacité face aux incertitudes paramétrique et de modélisation

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

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

44. Performances (robustesse vis à vis des variations de paramètres) Conditions de l'essai : Résistances Rs et Rr doublées, Inductances magnétisante M divisée par 2 Contrôle indirect : 4ème PARTIE : Etude et commande de la MADA en génératrice A t=2s, Qref=2kVAR ; à t=2,5s, Pref=-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

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

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

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

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

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. Perspectives • Finalisation du banc d’essais 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 l’étude 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