ETUDE ET COMMANDE DE GENERATRICES ASYNCHRONES POUR L'UTILISATION DE L'ENERGIE EOLIENNE
- Machine asynchrone à cage autonome
- Machine asynchrone à double alimentation reliée au réseau
Résumé
Many scientific competences are necessary to study wind energy conversion systems (meteorology for wind's behaviour study, mechanics and chemistry for constraints and composition of the materials used in the turbine, electrical engineering for electromechanical conversion and transformation of the electrical power). The study presented in this document concerns the electrotechnical part of this energy conversion system.
After a short recall of the concepts and equations governing wind energy conversion systems, this document makes a state of art of the machines and converters used in wind turbines.
A first study shows the performances and the limits of the squirrel cage self-excited induction generator. It uses an original and simple modelling method where the machine's model is completely independent of that of the load and the excitation capacitors. Balanced and unbalanced modes are studied in simulation and are experimentally validated.
The second study concerns the conception of a physical wind turbine simulator. It is intended to drive the studied generators by producing experimentally a torque that would be present on the shaft of a real turbine. This is done thanks to a D.C. machine controlled in order to produce torque variations given by a wind turbine model.
The third part of this document is devoted to electrical energy production on the grid by using the doubly fed induction generator. The conception of the machine permits to control the power exchanged between the stator and the grid by modifying rotor voltages via a bidirectional converter. To achieve this, a vector control of the generator is done with active and reactive stator powers as control variables. This control is elaborated and tested by synthesizing three different linear controllers : Proportional Integral, RST based on the poles placement theory and Linear Quadratic Gaussian based on the minimization of a quadratic criterion. The performances of the system are analyzed and compared in terms of reference tracking, robustness, and disturbances rejection.
After a short recall of the concepts and equations governing wind energy conversion systems, this document makes a state of art of the machines and converters used in wind turbines.
A first study shows the performances and the limits of the squirrel cage self-excited induction generator. It uses an original and simple modelling method where the machine's model is completely independent of that of the load and the excitation capacitors. Balanced and unbalanced modes are studied in simulation and are experimentally validated.
The second study concerns the conception of a physical wind turbine simulator. It is intended to drive the studied generators by producing experimentally a torque that would be present on the shaft of a real turbine. This is done thanks to a D.C. machine controlled in order to produce torque variations given by a wind turbine model.
The third part of this document is devoted to electrical energy production on the grid by using the doubly fed induction generator. The conception of the machine permits to control the power exchanged between the stator and the grid by modifying rotor voltages via a bidirectional converter. To achieve this, a vector control of the generator is done with active and reactive stator powers as control variables. This control is elaborated and tested by synthesizing three different linear controllers : Proportional Integral, RST based on the poles placement theory and Linear Quadratic Gaussian based on the minimization of a quadratic criterion. The performances of the system are analyzed and compared in terms of reference tracking, robustness, and disturbances rejection.
La conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques (météorologie pour l'étude du comportement du vent, mécanique et chimie pour les contraintes et la composition des divers matériaux utilisés dans l'aérogénérateur, mécanique des fluides pour l'effet des masses d'air en mouvement sur les pales, électrotechnique pour la conversion électromécanique et l'adaptation de l'énergie électrique). C'est à la partie électrotechnique de cette chaîne de conversion qu'est consacré ce mémoire.
Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne.
Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.
Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne.
La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.
Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne.
Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.
Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne.
La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.
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