Contribution to the development of a non-intrusive methodology to diagnose electrical faults in multiphase permanent-magnet synchronous machines used in offshore wind turbines
Contribution au développement d'une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques de machines synchrones à aimants permanents polyphasées utilisées en éolien offshore
Résumé
With the growth in demand for electrical energy and the need to decarbonize its production, interest in renewable energies, and more specifically wind energy, has been increasing. Offshore wind energy has several advantages: the wind is more stable and stronger at sea, the increase in power is easier than with onshore production, etc. However, access to offshore wind farms is difficult and interventions and maintenance operations are costly. By developping early fault diagnosis tools, it is possible to have a better knowledge of the health state of wind turbines and to make the maintenance operations more condition-based and predictive, rather than corrective and systematic, which reduces their costs.The scope of this work is to develop a non-intrusive approach to diagnose electrical faults of a power conversion system with a mutliphase permanent-magnet synchronous generator, found in the latest offshore wind turbines. To do so, fault indicators, based on the already measured quantities and the degrees of freedom available to some multiphase machines, are firstly defined and calculated with the occurrence of different types of electrical faults: high-resistance connection, inter-turn short circuit, phase-to-phase short circuit, and phase-to-ground short circuit. Secondly, other components are examined with the aim of classifying the aforementioned faults. Several operating points and fault severities have been considered. These latter have been chosen to represent the faults at an incipient stage, which allows us to avoid any potentially destructive local effect and to analyse the sensitivity of the developped indicators. The comparison between simulation and experimental results shows a good agreement. The simulations have been conducted with MATLAB/Simulink and the experiments have been realised on a 55-kW test bench, which is installed at EDF R&D Lab Paris-Saclay and represents at a reduced scale the studied power conversion system.
Avec la croissance de la demande en énergie électrique et la nécessité de décarboner sa production, l'intérêt porté aux énergies renouvelables, et plus précisément à l'énergie éolienne, est de plus en plus accru. L'éolien offshore admet, quant à lui, maints avantages : le vent est davantage stable et fort en mer, la montée en puissance est plus facile qu'en onshore, etc. Toutefois, l'accès aux parcs en mer est difficile et les interventions sur site et les opérations de maintenance sont onéreuses. En développant des outils de diagnostic précoce de défauts, il est possible d'avoir de meilleures connaissances de l'état de santé des éoliennes et de passer ainsi d'une maintenance corrective et systématique à une maintenance conditionnelle et prédictive, ce qui réduirait ses coûts.L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques d'une chaîne de conversion de puissance à génératrice synchrone à aimants permanents polyphasée, présente dans les dernières générations d'éoliennes offshore. Pour ce faire, des indicateurs de défauts, basés sur les mesures déjà disponibles et les degrés de liberté supplémentaires dont disposent certains systèmes polyphasés, sont définis dans un premier temps et calculés en présence de plusieurs types de défauts électriques : augmentation de la résistance d'une phase, court-circuit entre spires, court-circuit phase-phase et court-circuit phase-terre. D'autres composantes sont examinées dans un second temps en vue d'une classification des défauts électriques. Plusieurs points de fonctionnement et sévérités de défauts sont considérés. Ces dernières ont été choisies pour représenter des défauts naissants, ce qui permet d'éviter tout potentiel effet local destructeur et d'analyser la sensibilité des indicateurs développés. Une bonne concordance est montrée entre les simulations réalisées sous MATLAB/Simulink et les essais expérimentaux réalisés sur le 'banc ENR', un banc d'essai installé à EDF R&D Lab Paris-Saclay, d'une puissance de 55 kW et qui représente à une échelle réduite le type de chaînes de conversion de puissance étudié.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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