Optimisation de l'ensemble convertisseur-générateur-commande intégré à un système de micro-cogénération thermo-mécano-électrique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Modeling, control and optimization of a micro-cogeneration system using a dual free-piston Stirling engine and a tubular linear induction generator

Optimisation de l'ensemble convertisseur-générateur-commande intégré à un système de micro-cogénération thermo-mécano-électrique

Résumé

The work of this thesis aims to model, control and optimize a micro-cogeneration system with an innovative structure composed of a dual free-piston Stirling engine and a linear tubular induction generator, connected to the network via power electronic converters. The system is characterized by a strong coupling between the thermo-mechanical part and the electrical part. Indeed, the Stirling engine’s free compression piston is also the mover (armature) of the electrical machine. First, the non-linear thermo-mechanical model of the dual free-piston Stirling engine (from our earlier work under the ANR-CETI project, 2008-2012) is recalled in order to identify the optimal operating mode of the linear electrical generator. PID controller is designed to ensure the stability of the Stirling engine thanks to the control of the piston’s position. Second, modeling and control of the electrical generator are developed. This involves semi-analytically resolving Maxwell's equations in magneto-harmonic regime, and experimentally validating the electromagnetic model with a test-bed. Identification of the linear electrical machine’s parameters using both theoretical and experimental methods is finally carried out on the experimental test-bed. Field oriented vector control is then experimentally implemented ensuring the control of force, velocity and position in a highly dynamic oscillatory regime. Third, the AC/DC/AC power electronic converters that link the electric generator to the network is studied. A Power Factor Corrector controller is also considered so as to control the output current waveform (sinusoidal). Fourth, a multi-physics simulation platform of the whole system is developed in a Matlab/Simulink environment, including the dual free-piston Stirling engine’s non-linear model, the tubular linear induction generator’s dynamic model, the power electronic converters’ model, and their control strategies: PID controller of the piston’s position, field oriented vector control of electromagnetic force, and Power Factor Corrector controller of inverters. The simulation platform can be used as a "virtual test-bed" of the micro-cogeneration system in order to analyze: 1) the system’s operation with strong couplings between its components; 2) the control system’s performance in ensuring stability in rapid oscillating movements; and 3) the thermo-mechano-electrical energy conversion efficiency. Fifth and finally, the multi-objective and multi-constraint optimization of the design of the tubular linear induction generator associated with its power electronic converters is developed using the genetic algorithm NSGA-II. This study provides significant optimal solutions maximizing the generated electricity power to the network and minimizing the system’s investment costs. The optimization process requires a reduced model of the whole system. By adopting the assumption of perfect control systems, the reduced model of the whole system is established using the “average values” method. It is noteworthy that this model takes around 7000 times less execution time compared to the simulation platform, and hence, it is compatible with an optimization process. At the end of this thesis, economic analysis of the micro-cogeneration system is considered in order to compute the time of return on investment.
Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre « double effet ». Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermomécanique et la partie électromécanique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Premièrement, le modèle d’état thermomécaniquement couplé, caractérisé par sa forte non-linéarité, du moteur Stirling « double effet » a été tout d’abord rappelé. Le mode de couplage entre le moteur thermique et la génératrice électrique réside dans la mise en œuvre (par le contrôle) d’une force électromagnétique de nature frottement visqueux vis-à-vis du déplacement du piston. Un correcteur P.I.D a été synthétisé dans le but de stabiliser le mouvement oscillatoire rapide du piston et envoyer la consigne de force électromagnétique appropriée à la commande de la génératrice. Deuxièment, l’étude de la partie génératrice électrique a porté d’abord sur la modélisation semi-analytique consistant en la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique. La validation expérimentale de ce modèle a été réalisée. Ensuite, le modèle analytique validé a permis de calculer les paramètres du modèle dynamique de la machine linéaire. Ces résultats sont comparés avec ceux des essais expérimentaux ce qui a prouvé une bonne cohérence. Finalement, l’étude et la mise en œuvre expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté en vue de maîtriser la force électromagnétique résistante en régime oscillatoire ont été réalisées. Troisièmement, la chaîne des convertisseurs d’électronique de puissance AC/DC/AC qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée. La commande Power Factor Corrector (PFC) a été considérée en vue d’adapter la production électrique aux contraintes d’injection de l’énergie au réseau. Quatrièmement, une plateforme de simulation multiphysique (appelée « banc d’essai virtuel ») du système global a été développée à l’aide de Matlab/ Simulink, intégrant un même environnement de simulation, le modèle thermomécanique du moteur Stirling « double effet », le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques, du bus DC ainsi que les commandes associées en structure en boucles imbriquées : commande P.I.D en position, commande vectorielle en force, et commande PFC. Le « banc d’essai virtuel » a permis d’analyser le couplage fort entre différents composants du système, les performances des commandes en vue d’assurer le fonctionnement stable en mode oscillatoire rapide, et de calculer le rendement énergétique global. Cinquièment et enfin, l’étude d’optimisation multi-objective multi-contrainte du dimensionnement de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l’algorithme génétique NSGA-II a permis d’obtenir plusieurs solutions significatives afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Il a nécessité préalablement d’une réduction du modèle global du système de micro-cogénération. Sous l’hypothèse d’un contrôle/ commande parfait, un modèle global aux « valeurs moyennes instantanées », appelé « plateforme énergétique », a été établi. Ce modèle est d’exécution 7000 fois plus rapide que le « banc d’essai virtuel », est compatible avec un processus d’optimisation. Le calcul du temps de rentabilité optimal du système de micro-cogénération est également développé à la fin de cette thèse.
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  • HAL Id : tel-02189919 , version 1

Citer

Thu Thuy Dang. Optimisation de l'ensemble convertisseur-générateur-commande intégré à un système de micro-cogénération thermo-mécano-électrique. Energie électrique. Ecole Normale Supérieure de Cachan, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02189919⟩
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