Optimal multidisciplinary design of synchronous magnet generators for wind turbines taking into account of the wind occurrence curve
Conception optimale multidisciplinaire de générateurs synchrones à aimants permanents pour éoliennes tenant compte de la courbe d'occurrence du vent
Résumé
This Ph.D. dissertation presents a multidisciplinary optimum design methodology applied to
permanent magnet synchronous generators in wind power. Such a methodology considers the
electrical, the geometrical, the thermal, the electronic, the mechanical and the economical
behaviors of the wind turbine. The wind occurrence curve, modelled by a statistical density
function, is also taken into account by the proposed design methodology. Considering this curve
in the optimal design allows one to calculate the amount of energy produced by the wind
turbine, which operates under variable speed and power by the influence of the actual wind
speed. The proposal of using the optimization in the design is to enhance the competitiveness
of wind power by designing a generator with a good relation between its cost and its capacity
to produce energy. Several studies are addressed to electrical machines optimum design related
to wind power, however, few have presented a method able to estimate the wind turbine energy
generation, which is mandatory to obtain a cost-effective generator. Furthermore, the electric
generator in-depth multidisciplinary aspects have been considered by the proposed method in
more detail than other studies found in the literature. Taken into consideration all these aspects
results in a large optimization problem that has approximately 2000 variables (amomg them
about 250 are constrained), among which approximately 250 have constraints imposed on. A
deterministic optimization algorithm has been chosen to deal with this problem. Such an
algorithm is capable of finding the solution within few iterations and a short time thanks to
the computation of the Jacobean matrix, containing the exact gradients of the model (used to
describe the wind turbine behavior) outputs. The presented results explore the proposed
methodology potential. The first optimal design performed minimizes the generator active
material cost, presenting a significant cost reduction compared to a non-optimal generator.
Next, the contradiction between the generator cost and its efficiency is analyzed and the
importance of including the wind turbine energy generation into the generator design becomes
evident. Using the estimated wind turbine generated energy, the generator with maximum net
earnings (equal to the wind turbine energy proceeds less the generator cost) has been obtained.
This generator has a good ratio between its cost and capability to generate energy. Then,
sensibility analysis have been carried out to verify how the electricity price and the annual
mean wind speed influence the design. Finally, two wind turbines with different diameters and
rated wind speeds have been employed, considering three distinct wind profiles. These results
provide the generators more suited to each wind turbine applied to each wind profile, showing
that the proposed design methodology has the ability to help choosing the wind turbine
adequate to each wind farm.
Cette thèse présente une méthodologie de conception optimale multidisciplinaire des
générateurs synchrones à aimants permanents appliquée à l'énergie éolienne. Une telle
méthodologie considère les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques,
mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une
fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception
proposée. Compte tenu de cette courbe dans la conception optimale, nous pouvons calculer la
quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par
l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est
d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne
relation entre son coût et sa capacité de produire l'énergie. Plusieurs études sont destinées à
une conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu d'entre
eux ont présenté une méthode capable d'estimer la génération d'énergie des éoliennes, ce qui
est nécessaire pour obtenir un générateur rentable. En outre, les aspects multidisciplinaires ont
été considérées par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la
littérature. Pris en considération, tous ces aspects entraînent un gros problème d'optimisation
qui comporte à peu près 2000 variables, parmi lesquelles environ 250 ont des contraintes
imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour résoudre ce problème.
Un tel algorithme est capable de trouver la solution dans quelques itérations et peu de temps
grâce au calcul de la matrice jacobine, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour
décrire le comportement de la turbine éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel
méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du
matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport
à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son
efficacité est analysée et l'importance d'inclure la génération d'énergie dans la conception du
générateur devient évidente. En utilisant l'énergie estimée de l'éolienne générée, le générateur
avec un bénéfice net maximal (égal à la somme obtenue par l'énergie de l'éolienne moins le coût
du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de
générer de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment
le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin,
deux éoliennes avec différents diamètres et vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte
tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent aux générateurs plus adaptés à
chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception
proposée a la capacité d'aider à choisir l'éolienne adéquate à chaque parc éolien.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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