etude d’éoliennes à vitesse variable basées sur des ... · pdf...

Etude d’éoliennes à vitesse variable basées sur des machines asynchrones

(MAS-MADA)

Equipe : Conversion et qualité de l’énergieEquipe : Conversion et qualité de l’énergie

M. MachmoumM. Machmoum, F. Poitiers, L. Moreau et M.E. , F. Poitiers, L. Moreau et M.E. ZaïmZaïm, R. Le , R. Le DoeuffDoeuff

LARGELARGE--GE44, Bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint GE44, Bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint Nazaire Nazaire CedexCedexemail : mohamed.email : mohamed.machmoummachmoum@@polytechpolytech..univuniv--nantes.nantes.frfr

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

Rappels sur la conversion d’énergie par éolienne

2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 10

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

λ

Courbe Cp(λ) (spécifique à chaque éolienne).

Cp : coefficient de puissance

λ : Rapport d ’avance (vitesse de l’extrémité des pales sur la vitesse du vent).

Cp

λ

1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

8 m.s-1

7 m.s-1

6 m.s-1

5 m.s-1

4 m.s-1

Puissance mécanique disponible en fonction de la vitesse du générateur pour différentes vitesses de vent.

PPmm

ΩΩ

Densité de Densité de ll ’air’air

Dimension Dimension dd ’une pale’une pale

Vitesse du Vitesse du ventvent

Pm= 2 321

1

1 ( )2 p

RC R VKV

ρπΩ

1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

8 m.s-1

7 m.s-1

6 m.s-1

5 m.s-1

4 m.s-1

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)

Objectifs de cette conversion

PPmm

ΩΩ

Génératrices utilisées

Machine asynchrone à cage débitant sur un réseau.

* Obligation de fonctionner au voisinage du synchronisme.

MAS

RESEAU DE DISTRIBUTION

UC1

MASDA

RESEAU DE DISTRIBUTION Autorise le fonctionnement à

vitesse variable ( MAS ou MADA).

Machine asynchrone en autonome.

* Nécessité de capacités d’auto-excitation pour magnétiser la machine.

MAS

RR--LL

Génératrices utilisées

GSGS

33

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

Modèle diphasé associé à une transformation étoile-triangle côté chargeméthode 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.m2 , f=5.10-3 N.m.s-1

MASMAS

RL

CHARGETURBINEEOLIENNE

MAS(modèle de

PARK)

Charge +excitation

iabc Vabc

Vabc

Ω mΓR


Points de fonctionnement pour différentes Points de fonctionnement pour différentes valeurs de capacitésvaleurs de capacités

Rlg

Rr/g M CEIM IC

0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 30

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

3 5 0

C=40µFC=40µF

C=35µFC=35µFC=30µFC=30µF

EE

EE

IImm0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Courant magnétisant Im (A)

Val

eur d

e la

mut

uelle

M (H

)

x : points expérimentaux-: Approximation polynomiale

MM

IImmPrise en compte de la saturation


Tensions stator des phases a et c

Simulation Relevé expérimental

Processus d ’amorçage en régime équilibré

1 2 3 4 5 6 7 8

0-400

0-400

-200

0

200

400Stator voltage of phase a

time (s)

Vsa

(V)

1 2 3 4 5 6 7 8

-200

0

200

400Stator voltage of phase c

Time (s)

Vsc

(V)

Voltage build-up

2 s2 s 2 s2 s


Simulation Relevé expérimental

100 V/div1s/div

Time (s)

Vsc

(V)

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400Stator voltage of phase c

Voltage fall-down

100 V/div1s/div

Ca=Ca=CbCb=Cc=28.5 =Cc=28.5 µµFF, , ΩΩ=3000 tr/min, essai à vide=3000 tr/min, essai à videDéconnexion brusque d’un condensateur ou de la chargeDéconnexion brusque d’un condensateur ou de la charge

Ca=Ca=CbCb=Cc=33 =Cc=33 µµFF, , ΩΩ=3000 tr/min, Ra==3000 tr/min, Ra=RbRb==RcRc=1k=1kΩΩ


200 400 600 800 1000 1200 1400 1600120

140

160

180

200

220

240

260

P (W)

Tens

ion

stat

or (V

)

∆V28µF

32µF 36µF∆V

∆V

Influence d’une charge purement résistiveInfluence d’une charge purement résistive

4 4.5 5 5.5 6 6.5 70

50

100

150

200

250

300

350

t(s)

Tension (V)

Vitesse (rad/s)

Fréquence (Hz)

Influence d’un impact de vitesseInfluence d’un impact de vitesse

BILANBILAN** Impossibilités d’utiliser des chargesImpossibilités d’utiliser des chargesexigeantes en tension et fréquence.exigeantes en tension et fréquence.** Risque de démagnétisation.Risque de démagnétisation.* * Fonctionnement sur une plage de Fonctionnement sur une plage de vitesse restreinte.vitesse restreinte.

autres solutions autres solutions !!

Vitesse variable

• Avantages de la 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 (nécessité d’utiliser un convertisseur de fréquence (acac//dc dcdc dc//acac))•• acac//dcdc

redresseur à diodes associé à un convertisseur redresseur à diodes associé à un convertisseur dcdc//dc dc (machines synchrones)(machines synchrones)

redresseur à MLI (machines asynchrones)redresseur à MLI (machines asynchrones)

•• gestion du transfert de puissance entre le redresseur à MLI et gestion du transfert de puissance entre le redresseur à MLI et l’onduleur (régulation du bus continu) et le placement au point l’onduleur (régulation du bus continu) et le placement au point de puissance optimum de l’éolienne.de puissance optimum de l’éolienne.

2 approches possibles2 approches possibles : approche source de courant ou : approche source de courant ou approche source de tension.approche source de tension.

MAS associée à un redresseur MLIRégulation 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

Commandevectorielle

Flux de référence

Couplede référence

Redresseur MLI

Puissancede référence

Vitesse de rotation rotor

÷

Vdc

Génératriceasynchrone

Algorithme de placement au point

optimal de fonctionnement

Vitesse du vent

MAS associée à un redresseur MLIRégulation de Puissance (2)

MAS associée à un redresseur MLIRégulation de Vdc (1)

MAS associée à un redresseur MLIRégulation de Vdc (2)

• 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.

Vitesse déclenchementVitesse déclenchement

Machine asynchrone à double alimentation (MADA) sur le réseau (fortes puissances)

P P (f)(f)

UC1

MASDA

RESEAU

gPgP(gf)(gf)

P(1+g)P(1+g)(f)(f)

(f)(f)

Avantages :Avantages :•• transfert bidirectionnel de la puissance rotorique.transfert bidirectionnel de la puissance rotorique.

fonctionnement hypo. ou fonctionnement hypo. ou hypersynchronismehypersynchronisme, donc large plage de vitesse., donc large plage de vitesse.•• Convertisseur rotorique de faible puissance.Convertisseur rotorique de faible puissance.•• meilleure utilisation de la machine : puissance élevée au delà meilleure utilisation de la machine : puissance élevée au delà du synchronismedu synchronisme

possibilité de fonctionner à vitesse élevée du vent.possibilité de fonctionner à vitesse élevée du vent.•• Mode «Mode « MPTMMPTM » au dessous de » au dessous de ΩΩs s et couple constant au delà de et couple constant au delà de ΩΩss..

Machine asynchrone à double alimentation (MADA)

Modèle diphasé :Modèle diphasé :

F lu x s ta to r iq u e s e t ro to r iq u e s :

d s s d s d r

q s s q s q r

d r r d r d s

q r r q r q s

L I M IL I M I

L I M IL I M I

ψψ

ψψ

= + = + = + = +

E q u a t io n m é c a n iq u e :

m edJ fd tΩ

Γ = Γ + + Ω

d s s d s d s s q s

q s s q s q s s d s

dV R Id tdV R Id t

ψ θ ψ

ψ θ ψ

= + − = + +

d r r d r d r r q r

q r s q r q r r d r

dV R Id tdV R Id t

ψ θ ψ

ψ θ ψ

= + − = + +

Tensions statoriques et Tensions statoriques et rotoriquesrotoriques

dsssqsds

dsqre

qssds

VVetV

ILsMp

et

ψω

ψ

ψψψ

≅==

−=Γ

==

0

0•• Contrôle de laContrôle de la puissance active et réactivepuissance active et réactive


Modèle interne de la MADAModèle interne de la MADA

1in v

in v

Kp T+

21

( )r rs

MR p LL

+ −s

s

M VL

−

1in v

in v

Kp T+

21

( )r rs

MR p LL

+ −s

s

M VL

−

2s

s s

VL ω

2

( )s rs

Mg LL

ω −

2

( )s rs

Mg LL

ω −

+

++

-

-

++

s d ss

MgL

ω ψ

P

QV d

V q

V q r

V d r

Iq r

Id r

ν 1

ν 2

ν 3

ν 4


( ) ( )( )

t td d dr dw ref 3 d4

tref d ref 3

x i ,v , x Q , u v ,

e Q Q , y i Q

= = υ υ == − = υ

( ) ( )d

d d 1,dd d d y,d d

dwdw

K

dd 1,d 2,d

dw

ˆ ˆx x B: A L C u L y

x 0x

xu v K K

x

−

θ = − + +

= = −

2

1

( )r rs

MR p LL

+ −s

s

MVL

−

ν4

1inv

inv

KpT+ e

-Kd

Qref

ν3

Vd

Idr

Vdr

Q+

--++

+u

ω

yP

observer

θdˆ ˆ,d dX X ω

Contrôle de la puissance réactive Contrôle de la puissance réactive -- Schéma standardSchéma standard

Y : mesures, e :signaux dY : mesures, e :signaux d ’erreurs à réguler’erreurs à réguleru : commande, w : perturbations et référencesu : commande, w : perturbations et références

objectifobjectif : synthétiser un observateur : synthétiser un observateur θθ donnant udonnant utqtq e=0 quelle que soit w.e=0 quelle que soit w.

Les poles de (Ad-LdCy,d) sont placés en respectantun horizon de filtrage -ωf=-1/Tf et de commande donnés.

Même démarche pour l’axe q .


Régulateurs Régulateurs monovariablesmonovariables utilisés : utilisés : IP, RST, ObservateurIP, RST, Observateur

Test 1 :Test 1 :

•• PoursuitePoursuite : échelon de puissance active : échelon de puissance active ∆∆P=P=--5kW à t=1s5kW à t=1s

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

•• Sensibilité aux perturbationsSensibilité aux perturbations : échelon de vitesse : échelon de vitesse ∆Ω∆Ω=(318=(318--260)260) rdrd/s /s à t=3sà t=3s

Test 2 :Test 2 :

•• mêmes échelons en puissances avec mêmes échelons en puissances avec variation aléatoire de la vitessevariation aléatoire de la vitesse

•• Robustesse visRobustesse vis--àà--vis de la résistance rotorique vis de la résistance rotorique


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

vsavsaisaisa*20*20

PPQQ

ΩΩ

•• meilleur découplage avec le RST qu’avec le PImeilleur découplage avec le RST qu’avec le PI•• temps de réponse : temps de réponse : RST : RST : tr=45ms , tr=45ms , PIPI : tr=130ms : tr=130ms•• échelon échelon ΩΩ : : RSTRST ∆∆P=150W (3%) et P=150W (3%) et ∆∆Q=100Var (5%)Q=100Var (5%)

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


Performances du système suite à des variations aléatoires de la vitesse

•• Performances altérées avec le PI. Performances altérées avec le PI. •• Bonnes performances avec le RST : Bonnes performances avec le RST : ∆∆P et P et ∆∆Q < 5%.Q < 5%.•• Courant stator quasi constant.Courant stator quasi constant.

vsavsaisaisa*20*20

PPQQ

ΩΩ


RrRr

PPQQ

ΩΩ

Variations aléatoires de la vitesse + test robustesser

•• Performances Performances médiocressmédiocress avec le PI. avec le PI. •• Bonnes performances avec le RST : Bonnes performances avec le RST : ∆∆P et P et ∆∆Q < 5%.Q < 5%.•• Courant stator quasi constant et robustesse via à vis de Courant stator quasi constant et robustesse via à vis de RrRr..

Cp

1

vent

RV

λ Ω=

3 21

2p

m

CR Vπ ρ

λΓ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

1Js f+

1K

1refΩ2refΩ

2mesuréΩ =Ω

MADA

fAC/AC

Calculdu

couple

mesuréP

K

-vent

V Calcul du couplegénéré par l'éolienne

1Ω

mΓ

rΓ

Equationmécanique

Multiplicateurde vitesse

M

Coefficient de puissancede l'éolienne

2Ωr

Γ

Dispositif mécanique (éolienne)

Vitesse de référence (rad/s).

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

Synoptique du simulateur (macroscopique) de la turbine éolienne

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 saturationPrise en compte de la saturation

Comparaison de la MADA avec la MAS à cage en prenant en compte lComparaison de la MADA avec la MAS à cage en prenant en compte les es considérations de rendement.considérations de rendement.

Thèse en cours : Machines lentes (MRV)Thèse en cours : Machines lentes (MRV)

MADA (7.5 kW) MCC (10kW)

Dispositif deproductiond’énergie à

étudier

Moteurd’entraînement

destiné à simulerle comportementd’une éolienne

Dispositif de commande(Onduleur +PC

+ carte d’interface DSP)

Banc d’essai MADA

etude d’éoliennes à vitesse variable basées sur des ... · pdf...

Documents