contexte et objectifs de la thèse -...
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Salma EL AIMANISalma EL AIMANI
é
Plan de la prPlan de la préésentationsentation
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
Ce sujet rentre dans la thématique globale du programme FUTURELEC1 au sein du Centre National de recherche technologique (C.N.R.T.)
CONTEXTE
Le développement des énergies renouvelables La libéralisation du marché de l’électricité
Réseau de distribution du Futur
Modélisation fine des générateurs (EOLIENS) Temps de calcul non prohibitif : Modèles intégrés dans des systèmes plus complexes
Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
(Impact de ces générateurs sur les réseaux qui ne sont pas adaptés à les accueillir)
Opération STATICOM - DYNACOM
Étude du comportement en puissance en fonctionnement normal
Étude du comportement de l’éolienne en présence de défauts sur le réseau
Estimation des harmoniques générés par la MLI et des pertes dans les semi-conducteurs
PROBLEMATIQUE
Spécificités liées à l’intégration des éoliennes
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
E
Objet Accumulateur
S
S
Sref
R
Rass E Commande Processus
Relation Causale(selfs, condensateur …)
Partie I : Formalismes et classes de modPartie I : Formalismes et classes de modèèles dles d ééoliennesoliennes
Formalismes de modFormalismes de modéélisationlisation
R.E.M.R.E.M.
Développée afin de proposer une version macroscopique du GICGIC. Elle permet de modéliser et proposer une structure de commande d ’un système.
G.I.C.G.I.C.
Méthode systématique et simple d'accès pour la description des systèmes en vue de l'élaboration de leur commande.
b a
e
f d
c
a
f
b
e
c
d
E
Objet Accumulateur
S
S
Sref
R
Rass E Commande Processus
Relation Rigide (frottement, résistance..)
Objet Dissipateur
R
R-1
S E
S E Commande
Processus
Objet Dissipateur
R
R-1
S E
Sref E Commande
Processus
ModModèèles les
ddééveloppveloppéés s pour atteindre pour atteindre les objectifs les objectifs
souhaitsouhaitééss
Partie I : Formalismes et classes de modPartie I : Formalismes et classes de modèèles dles d ééoliennesoliennes
Modélisation électromécanique 0 - 10 Hz
Modélisation électromagnétique 10 Hz - 10 kHz
Modèle continu équivalent 10 Hz - 1 kHz
Modèle fin avec interrupteurs idéaux 1 kHz - 10 kHz
Modèle fin avec interrupteurs réels 1 kHz - 1 MHz
Modèle harmonique global 1 kHz - 10 kHz
A chaque problème, son modèle !!
Classes de modClasses de modèèlesles
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
A
ΩmeΩ1 Ω2 v1
P1
Puissance
B
A
Ωmec Ω1
C
Ω2 v1
v2
Vitesse du vent P1
P2 P3
Puissance
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
MAS RESEAUP
Cem
Ωmec
Ceol
multiplicateur
f= 50Hz
Orientation des pales pour avoir Ωmec = Cste
Maximum de puissance pour un angle d’orientation
Il faut rendre variable la vitesse mécanique pour maximiser la puissance
générée
Technologie : Technologie : ÉÉolienne olienne àà vitesse fixevitesse fixe
MAS RESEAU P
Cem
Ωmec
Ceol
multiplicateur
f= 50Hz
DC
DC AC
Courant alternatif à fréquence variable
Courant alternatif à fréquence du réseau (50Hz)
AC
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
MASMASMS RESEAU P
Cem
Ωmec
Ceol
f= 50Hz
DC
DC AC
Courant alternatif à fréquence variable
Courant alternatif à fréquence du réseau (50Hz)
AC
MADA
g.P
Cem
Ωmec
Ceol
multiplicateur
f= 50Hz
DC
DC AC
Courant alternatif à Courant alternatif à
AC
RESEAU P MADAMADA
Technologie : Technologie : ÉÉolienne olienne àà vitesse variablevitesse variable
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Pour une Pour une ééolienne de 1.5 MW olienne de 1.5 MW
àà base de MADAbase de MADA
Zone Zone 1 : D1 : Déémarragemarrage
Zone 2 : Extraction du maximum Zone 2 : Extraction du maximum de puissance gde puissance géénnéérrééee
Zone Zone 3 : 3 : Fonctionnement Fonctionnement àà
vitesse constantevitesse constante
ZoneZone 4 : Fonctionnement 4 : Fonctionnement àà
puissance constantepuissance constante
Exemple dExemple d’’une caractune caractééristiqueristique mesurée
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vitesse mécanique (tr/mn)
Puissance électrique (kW)
Asservissement la vitesse
mécaniqu
Asservissement de la vitesse mécanique
Deux stratégies de commande Deux stratégies de commande
A partir d’un modèle de la turbine
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Contrôle direct couple
Deux stratégies de commande Deux stratégies de commande
Sans asservissement de la vitesse
mécanique
A partir d’un modèle de la turbine
Objectif : M.P.P.T. Maximum Power PointObjectif : M.P.P.T. Maximum Power Point TrakingTraking (Extraction (Extraction maximale de la puissance produite par rmaximale de la puissance produite par rééglage de la vitesse)glage de la vitesse)ZONE 2ZONE 2
Sensibilité des lois de réglage de la turbine sur la puissance générée
(CESA’03)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Couple électromagnétique ).(_ mecrefCC refem Ω−Ω= Ω
ZONE 2ZONE 2 G.I.C. du modèle de la turbine et de sa commande
en boucle fermée de la vitesse
Cem
Ωmec v Cg
Drive train
Caer
Ωturbine Multiplicateur
Ωmec Turbine
β
Rass1
Ωref
Cem_ref
Modèle Commande
R4’ R1
R3
R2
R0-1 R3
-1 Ωturbine_ref
Ωmec
Ωref
λ
R0
MPPT
Cem
Ωmec v Cg
Drive train
Caer
Ωturbine Multiplicateur
Ωmec Turbine
β
Rass1
Ωref
Cem_ref
Modèle Commande
R4’ R1
R3
R2
R0-1 R3
-1 Ωturbine_ref
Ωmec
Ωref
λ
R0
MPPT
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Couple électromagnétique Avec2_ . mecAC refem Ω= 3
5
2max
1.2... GRCA
Cp
p πρλ=
Cem
Ωmec v Cg
Drive train
Caer
Ωturbine Multiplicateur
Ωmec Turbine
β
R4’ R1
R3
R2 λ
R0
Caer_estime Cem_ref
vestime Ωmec
Commande
Rc1 Rc2
Rc3 Rc0 Ωturbine_estime
Cem
Ωmec v Cg
Drive train
Caer
Ωturbine Multiplicateur
Ωmec Turbine
β
R4’ R1
R3
R2 λ
R0
Caer_estime Cem_ref
vestime Ωmec
Commande
Rc1 Rc2
Rc3 Rc0 Ωturbine_estime
ZONE 2ZONE 2 G.I.C. du modèle de la turbine et de sa commande
sans asservissement de vitesse
ZONE 3ZONE 3
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Objectif : fonctionner Objectif : fonctionner àà vitesse constante vitesse constante àà partir dpartir d’’une vitesse une vitesse dd’’environ 90%environ 90% ΩΩmecmec_nom_nom (=1750 tr/(=1750 tr/mnmn))
+ - Cem_ref
Cem
Ωref Cass1 v Ωturbine_ref G
ZONE 2
90 % Ωmec_nom
ZONE 3
Processus
Commande v.λcpmax
R
Ωmec
Avec un contrôle en boucle fermée de la
vitesse
λΩconstante
Cem_reg
Cem
vestime
tp ΩvSC 1...2.
3ρ Caer_estime
R.Ωturbine_estime
λ
1 G
Ωturbine_estime
3_1....2
1..elec
pestimeturbine PSCR ρΩ Pelec
ZONE 3 ZONE 2 λcpmax
λ
Processus
Commande 1 G
Ωmec
Sans asservissement
de la vitesse mécanique
vR.Ωλ urbinet=
Cg
v
v Cem
Ωmec
Turbine Multiplicateur Génératrice
Ωturbine
G-1
β 1
S Jpale.S+fpale
1
Génération de βref
βref
Régulation de l’angle
Cβ
β
βref Régulation
De βref
Cmot_ref
Ureg=U
U
PITCH CONTROL
Actionneur
Pale
Contrôle de l’Actionneur
Commande de la pale
Puissance électrique
Cmot
Cp(λ,β)
ZONE 4ZONE 4
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Cg
v
v Cem
Ωmec
Turbine Multiplicateur Génératrice
Ωturbine
G-1
β 1
S Jpale.S+fpale
1
Génération de βref
βref
Régulation de l’angle
Cβ
β
βref Régulation
De βref
Cmot_ref
Ureg=U
U
PITCH CONTROL
Actionneur
Pale
Contrôle de l’Actionneur
Commande de la pale
Puissance électrique
Cmot
Cp(λ,β)
Objectif : fonctionner Objectif : fonctionner àà puissance nominale avec puissance nominale avec un pitch control appliquun pitch control appliquéé àà partir de 80 %partir de 80 % PPnomnom
1
Eolienne à vitesse fixe
ac ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
Champ d’éoliennes à vitesse variable
dcac
Stockage inertiel
Machine à double Alimentation
(MADA)
stator
Génératrice synchrone R, L, E
~HT
MT
Machine asychrone
à cage (MAS)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Avantage par rapport Avantage par rapport àà la MAS :la MAS :
Puissance rPuissance rééduite des convertisseurs de puissanceduite des convertisseurs de puissance
Technologie Technologie éétuditudiééee
Eolienne à vitesse fixe
ac ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
Champ d’éoliennes à vitesse variable
dcac
Stockage inertiel
Machine à double Alimentation
(MADA)
stator
Génératrice synchrone R, L, E
~ HT
MT
Machine asychrone
à cage (MAS) Eolienne à vitesse fixe
ac ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
dc ac
Champ d’éoliennes à vitesse variable
dc ac
Stockage inertiel
Machine à double Alimentation
(MADA)
stator
Génératrice synchrone R, L, E
~ HT
MT
Machine asychrone
à cage (MAS)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Rt
β
M ultiplicateur
M achine asynchrone A double alimentation
Ω mec
Ω turbine Cg
Caer
R
v
Turbine C
im_mac im-res u
Convert. M LI1
L t
Rés
eau
Bagues
AC 50 Hz
AC fréquence variable
Convert. M LI2
it1
it2
is1 is2 ist2
ist1
Objectifs de lObjectifs de l’é’étude tude Étude dans le repère de Park avec ou sans défauts réseau : Modèle continu équivalent
Prise en compte des harmoniques : Modèle à interrupteurs idéaux des convertisseurs
Intégration du modèle dans un réseau de moyenne tension
Confrontation à des résultats expérimentaux obtenus pour éolienne du même type
La La MMachine achine AAsynchrone synchrone àà DDouble ouble AAlimentation:limentation:MADAMADA
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Cem
Ωmec
MADA d,q,0
Vr_dq0
Convert. 1
d,q
u
Bus
DC
u
im_res
Vm_dq Ir_dq0
Ist_dq0
Vp_dq= Vs_dq
It_dq
It_dq
Convert. 2
d,q
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac
Ωmec
Nœud de connexion
Is_dq0
Vsdq0 P-1(θs)
P(θs) Vs
Ist
Vsdq0
Filtre
d,q udw uqw uqw udw
R.E.M du R.E.M du modmodèèle continu le continu ééquivalentquivalent de lde l’é’éolienne olienne àà base de MADAbase de MADA
Modèle continu équivalent
R.E.M du ModR.E.M du Modèèle de de lle de de l’é’éolienne olienne àà base de MADAbase de MADAbasbaséée sur des interrupteurs ide sur des interrupteurs idééauxaux
im_res Cem
Ωmec
MADA d,q,0
Vr_dq0
Convert. MLI
1 a,b,c
u
Bus
DC
Nœud de connexion
u Vm Ir_dq0 Ist
It
It
Convert. MLI
2 a,b,c
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac
Ωmec Ir Vr
Is_dq0 Vs_dq0 Vs
Is
Vs
Vs
P-1(θs)
P-1(θr)
P (θr)
P(θs) Filtre a,b,c
f11 f12 f13 f11f12 f13
Modèle à interrupteurs idéaux des convertisseurs
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Pref
Qref
uref vmd_ref Contrôle des
courants Contrôle
Des Puissances
Contrôle Du bus Continu
CommandeDu
Convert. 1
Commande vectorielle De La MADA M.P.P.T.
Commande
u
Ir_dq
u dw
mac
reg
βref
Modèle continu équivalent du processus
u qw
mac
reg
u qw
res
reg
u dw
res
reg
CommandeDu
Convert. 2
vmq_ref
It_dq
itd_ref
itq_ref
vr_d_ref
vr_q_ref
Cem_reg
Ωmec
E_dq
Cem
Ωmec
MADA d,q
Vr_dq
Convert. 1
d,q u
im_res
Vm_dq Ir_dq
E_dq
It_dq
It_dq
Convert.2
d,q
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac
Ωmec
Nœud de connexion
Is_dq
E_dq
E_dq
Ist_dq
E_dq
P-1(θs)
P(θs) E
Ist
Filtre d,q
Bus DC
R.E.M du R.E.M du modmodèèle continu le continu ééquivalentquivalent et de la commandes de let de la commandes de l’é’éolienne olienne àà base de base de MADAMADA
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
R.E.M du R.E.M du modmodèèle continu le continu ééquivalentquivalent et de la commandes de let de la commandes de l’é’éolienne olienne àà base de base de MADAMADA
Pref
Qref
uref vmd_ref Contrôle des
courants Contrôle
Des Puissances
Contrôle Du bus Continu
CommandeDu
Convert. 1
Commande vectorielle De La MADA M.P.P.T.
Commande
u
Ir_dq u d
wm
acre
g
βref
Modèle continu équivalent du processus
u qw
mac
reg
u qw
res
reg
u dw
res
reg
CommandeDu
Convert. 2
vmq_ref
It_dq
itd_ref
itq_ref
vr_d_ref
vr_q_ref
Cem_reg
Ωmec
E_dq
Cem
Ωmec
MADA d,q
Vr_dq
Convert. 1
d,q u
im_res
Vm_dq Ir_dq
E_dq
It_dq
It_dq
Convert. 2
d,q
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac
Ωmec
Nœud de connexion
Is_dq
E_dq
E_dq
Ist_dq
E_dq
P-1(θs)
P(θs) E
Ist
Filtre d,q
Bus DC
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
R.E.M du R.E.M du modmodèèle continu le continu ééquivalentquivalent et de la commandes de let de la commandes de l’é’éolienne olienne àà base de base de MADAMADA
Pref
Qref
uref vmd_ref Contrô le des
courants Contrô le
Des Puissances
Contrô le Du bus Continu
Commande Du
Convert. 1
Commande vectorielle De La MADA M.P.P.T.
Commande
u
Ir_dq
u dw
mac
reg
βref
Modèle continu équivalent du processus
u qw
mac
reg
u qw
res
reg
u dw
res
reg
Commande Du
Convert. 2
vmq_ref
It_dq
itd_ref
itq_ref
vr_d_ref
vr_q_ref
Cem_reg
Ωmec
E_dq
Cem
Ωmec
MADA d,q
Vr_dq
Convert. 1
d,q u
im_res
Vm_dq Ir_dq
E_dq
It_dq
It_dq
Convert. 2
d,q
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac
Ωmec
Nœud de connexion Is_dq
E_dq
E_dq
Ist_dq
E_dq
P-1(θs)
P(θs) E
Ist
Filtre d,q
Bus DC
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
R.E.M du R.E.M du ModModèèle le àà interrupteurs idinterrupteurs idééaux des convertisseursaux des convertisseursEt de la commande de lEt de la commande de l’é’éolienne olienne àà base de MADAbase de MADA
Commande vectorielle
De La MADA
M.P.P.T.
Cem
Ωmec
MADA d,q,0
Vr_dq0
Convert. MLI
1 a,b,c
u
Bus
DC
Filtre
a,b,c
Nœud de connexion
u
im_res
Vm Ir_dq0 Ist
It
It
Convert. MLI
2 a,b,c
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac Ir Vr
Is_dq0 Vs_dq0 Vs
Is
E
P-1(θs)
P-1(θr)
P (θr)
P(θs)
Pref
Qref
uref Contrô le
des courants
Contrô leDes
Puissance
Contrô le Du bus Continu
Commande
itd_ref
itq_ref
P(θs)
It_dq
P(θs) A.C.R.
MLI Ir_dq0
βref Cem_reg
Ωmec
P(θs) A.C.R.
MLI
u
Ωmec
Modèle
E
E_dq
E_dq
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
R.E.M du R.E.M du ModModèèle le àà interrupteurs idinterrupteurs idééaux des convertisseursaux des convertisseursEt de la commande de lEt de la commande de l’é’éolienne olienne àà base de MADAbase de MADA
Commande vectorielle
De La MADA
M.P.P.T.
Cem
Ωmec
MADA d,q,0
Vr_dq0
Convert. MLI
1 a,b,c
u
Bus
DC
Filtre
a,b,c
Nœud de connexion
u
im_res
Vm Ir_dq0 Ist
It
It
Convert.MLI
2 a,b,c
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac Ir Vr
Is_dq0 Vs_dq0 Vs
Is
E
P-1(θs)
P-1(θr)
P (θr)
P(θs)
Pref
Qref
uref Contrô le
des courants
Contrô le Des
Puissance
Contrô le Du bus Continu
Commande
itd_ref
itq_ref
P(θs)
It_dq
P(θs) A.C.R.
MLI Ir_dq0
βref Cem_reg
Ωmec
P(θs) A.C.R.
MLI
u
Ωmec
Modèle
E
E_dq
E_dq
vr_d_ref
vr_q_ref
vmd_ref
vmq_ref
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
R.E.M du R.E.M du ModModèèle le àà interrupteurs idinterrupteurs idééaux des convertisseursaux des convertisseursEt de la commande de lEt de la commande de l’é’éolienne olienne àà base de MADAbase de MADA
Commande vectorielle
De La MADA
M.P.P.T.
Cem
Ωmec
MADA d,q,0
Vr_dq0
Convert. MLI
1 a,b,c
u
Bus
DC
Filtre
a,b,c
Nœud de connexion
u
im_res
Vm Ir_dq0 Ist
It
It
Convert. MLI
2 a,b,c
v Cg Caer
Ω turbine
Turbine
β
Multipli -cateur
Arbre
im_mac Ir Vr
Is_dq0 Vs_dq0 Vs
Is
E
P-1(θs)
P-1(θr)
P (θr)
P(θs)
Pref
Qref
uref Contrô le
des courants
Contrô leDes
Puissance
Contrô le Du bus Continu
Commande
itd_ref
itq_ref
P(θs)
It_dq
P(θs) A.C.R.
MLI Ir_dq0
βref Cem_reg
Ωmec
P(θs) A.C.R.
MLI
u
Ωmec
Modèle
E
E_dq
E_dq
vr_d_ref
vr_q_ref
vmd_ref
vmq_ref
General Electric 1,5 MW A Schelle région d’Anvers (Belgique)
ROTOR Longueur 35 (m)
pales 3 Régulation pitch/optiSpeed
Tour Hauteur 85 (m)
Données opérationnelles Cut_in wind speed 4m/s
Nominal wind speed 16m/s Stop wind speed 25m/s
Géneratrice Type MADA
Puissance Nominale 1,5 MW Tension et fréquence 690V/50Hz
Poids Tour 160t
Nacelle 57t Rotor 23t
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Cg
v
v Cem
Ωmec
Turbine Multiplicateur Génératrice
Ω turbine_mesurée
G-1
β
β ref
PITCH CONTROL
Puissance électrique
Génération deβ ref
a partir des mesures
Vent issu des mesures
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5
λ
Cp
β = 0 β = 2
β = 4 β = 6
β = 8 β = 10
λ ref Calcul deλ ref à partir des
mesures
1
Régulation de l’angle
Cβ
β ref
1
S
EntrEntréée du Syste du SystèèmemeModModéélisliséé sous Matlabsous Matlab--SimulinkSimulink
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
DonnDonnéées enregistres enregistrééeses
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000Temps (s)
Vite
sse
du v
ent (
m/s
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000Temps (s)
Vite
sse
du v
ent (
m/s
)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Puis
sanc
e él
ectr
ique
(kW
)
²
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Puis
sanc
e él
ectr
ique
(kW
)
²
57.6 km/h 7 beaufort
7.2 km/h
Vitesse du vent (m/s)
Puissance électrique (kW)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Arrêt forcé de l’éolienne
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Temps (s)
vite
sse
méc
aniq
ue (t
r/mn)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Temps (s)
vite
sse
méc
aniq
ue (t
r/mn)
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Ang
le d
u pi
tch
(°)
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Ang
le d
u pi
tch
(°)
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Angle du pitch (°)
Vitesse mécanique (tr/mn)
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Vitesse du vent (m/s)
Puis
sanc
e to
tale
mes
urée
(kW
)
Puissance électrique mesurée (kW)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
•• Puissance Puissance éélectrique est linlectrique est linééaire aire en fonction du venten fonction du vent
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Ang
le d
u pi
tch
(°)
•• Zone 4 de limitation de puissanceZone 4 de limitation de puissanceAngle du pitch (°)
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
2...
3vSCP pρ=La puissance captée par la turbineRappelRappel
3...
2vP
SC p ρ=
Valeurs deValeurs de CCpp=f(=f(λλ,,ββ)) utilisutiliséées par le systes par le systèème de commande de la turbineme de commande de la turbine
Mesuré (hypothèse Pelec = P)
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
λcpmax
Cpmax =
-0,4-0,3-0,2-0,1
00,10,20,30,40,50,6
5 10 15
ratio de vitesse
Cp
-0,4-0,3-0,2-0,1
00,10,20,30,40,5
-0,4-0,3-0,2-0,1
00,10,20,30,40,50,6
5 10 15
ratio de vitesse
Cp
Angle (°)
β = 2β = 4
β = 4.5β = 65β = 85
λ
0 2 4 6 8 10 12 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5 Coefficient de puissance
λ
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
)2(3001840))2(305.1810sin)).2(167050)., −−−
−−+−−= β)..(λ...(
).π.(λβ...((Cp ββλ
Terme correspondant au (Cpmax)
Angle de pale, 2° correspondant à l’extraction maximale de puissance
Terme correspondant au λcpmax
β=2
β=4
β=6
β=8
CaractCaractéérisation de la turbinerisation de la turbine
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0
2
4
6
8
10
12
14
16 Ratio de vitesse en fonction de la vitesse du vent
Vent (m/s)
Simulation Mesure
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Simulation
Vitesse mécanique (tr/mn)
Puissance électrique (kW) Mesure
Exemple de confrontation en rExemple de confrontation en réégime quasi statiquegime quasi statique
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Zone 2
Zone 3Zone 4
Zone 1
Partie II : ModPartie II : Modéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Exemple de confrontation en rExemple de confrontation en réégime dynamique : zone 4gime dynamique : zone 4
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures sur ldes mesures sur l’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
RRééseau HTA seau HTA éétuditudiéé
Line 2km 150alu
dc ac
MADA 1,5 MVA
Line 2km 240 alu
Line 3km 240 alu
Load 2 MVA, cosϕ =0.85
Load 1 MVA, cosϕ =0.9
1300 MVA,70 kV
HV transformer 15 kV / 70 kV, 20 MVA Bus C
Bus D Bus E
ac dc
L
L
Transformateur idéal
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
charge1
Système éolien
~
charge 2
BUS C
BUS D BUS E
2
4
6
8
10
12
14 Vitesse du vent (m/s)
20 30 40 50 60 70 80 -2000
-1500
-1000
-500
0
500
t(s)
EPE 2003
Influence sur les flux de puissanceInfluence sur les flux de puissance
Puissances actives dans le réseau HTA (kW)
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
charge1
Système éolien
~
charge 2
BUS C
BUS D BUS E
20 40 60 80 100 120 14.5
14.55
14.6
14.65
14.7
14.75
14.8
14.85
14.9
14.95
15
time (s)
20 40 60 80 100 1200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
time (s)
BUS C
Influence sur le plan de tensionInfluence sur le plan de tension
Tension au secondaire du transformateur (kV)
Courant au secondaire du transformateur (A)
I99=25A, En (p.u) on a I 99= 0,0199
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Rangs impairs kn (%) Rangs pairs kn (%)
3 4 2 2
5 et 7 5 4 1
9 2 > 4 0,5
11 et 13 3
> 13 2
Normes sur les taux d'Normes sur les taux d'éémission harmonique limite mission harmonique limite
IntIntéérêt de lrêt de l’é’étudetude
• La variation de la tension au point de livraison ne doit pas dépasser 5 % pendant 0.5 s.
• La variation de la puissance ne doit pas dépasser 4 MW/min
Sn est la Puissance nominale de l’installation = 1.5 MVA
Unom est la valeur de la tension nominale d’alimentation = 690 V
Pour notre cas Évaluation avec une fréquence de modulation de 5 kHz
nom
n
USkI
39999 =
QualitQualitéé de la tensionde la tension
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
5.04 5.05 5.06 5.07 5.08 5.09 5.1 5.11 5.12 -100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100 Total current injected by the generator (A)
time (s)
-20 0 20 40 60 80 100 120 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1 Spectral analysis of total current
0.005
0.01
0.015
charge1
Système éolien
~
charge 2
BUS C
BUS D BUS E
I99=0.012<0.0199
Influence sur la qualitInfluence sur la qualitéé de la tensionde la tension
EM 2003
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Apparition dApparition d’’incidents (courtincidents (court--circuits aux bornes des charges) dcircuits aux bornes des charges) d’’origines diverses et origines diverses et provoquant des creux de tension (provoquant des creux de tension (ééquilibrquilibréés et ds et dééssééquilibrquilibréés)s)
•• Contexte et objectifsContexte et objectifs
•• Contraintes sur les rContraintes sur les rééseaux de distribution HTAseaux de distribution HTA
En cas de défaut, la centrale de production ne doit pas entraîner une élévation du courant de court – circuit au delà de 12,5 kA en zone urbaine et de 8 kA en zone rurale.
L ’éolienne doit pouvoir supporter les creux de tension mono, bi ou triphasée (0.3 Unrésiduelle pendant 0.6 s, 0.7 Un pendant 2.5 s)
Étude de stabilité à faire par le producteur d’après les paramètres fournis par le gestionnaire du réseau
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Comparaison de deux approches de contrôle du fluxComparaison de deux approches de contrôle du flux statoriquestatorique de la MADAde la MADA
Φref + -
Régulateur du flux
CΦ ird_ref
Φsd_est
Approche asynchroneApproche asynchroneApproche synchroneApproche synchrone
Φ ref 22 ..
..srs
s
LRMRRM
+− ird_ref
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Transformateur 70kV/15kV 20MVA
Source triphasée 2000MVA 70KV
Charge 2 8 MVA cosϕ=0.9
Charge2
MADA 1.5 MW 690V
Transformateur idéal
15kV / 690V
~
Ligne 5km
Protection
BUS A
BUS B
BUS C
Charge1
Charge 1
: Défaut
cosϕ=0.98 MVA
RRééseau seau éétuditudiéé
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Classification des creux de tensionClassification des creux de tension
Dans notre Dans notre éétudetude
VCREUX1 V1
VCREUX2 V2
VCREUX3 V3 C
VCREUX1
V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3 V3
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3
VCREUX1 V1
VCREUX2 V2
VCREUX3
V3
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 D
B A
E F
Type A
A
Type C
C
Type B
B
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 A
Creux de tension de type Creux de tension de type AA au bornes de la MADA au bornes de la MADA De 20% et dDe 20% et d’’une durune duréée de 200 mse de 200 ms
Approche asynchroneApproche asynchroneApproche synchroneApproche synchrone
Courants triphasCourants triphaséés totauxs totaux
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 A
Approche asynchroneApproche asynchroneApproche synchroneApproche synchrone
Courants triphasCourants triphaséés au stator de la MADAs au stator de la MADA
Creux de tension de type Creux de tension de type AA au bornes de la MADA au bornes de la MADA De 20% et dDe 20% et d’’une durune duréée de 200 mse de 200 ms
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 A
Approche asynchroneApproche asynchroneApproche synchroneApproche synchrone
Composante directe du flux Composante directe du flux statorique statorique de la MADAde la MADA
Creux de tension de type Creux de tension de type AA au bornes de la MADA au bornes de la MADA De 20% et dDe 20% et d’’une durune duréée de 200 mse de 200 ms
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Conclusion sur les deux approches utilisConclusion sur les deux approches utilisééeses
R E S E A U
Vs0
Ls is
E
Circuit statorique
Approche synchroneApproche synchrone
Φ sd
is
Lorsque E
Est maintenu constant
(contrôle en boucle fermée)
Approche asynchroneApproche asynchrone
Φ sd
is
vs0 constant
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 A
Creux de tension de type Creux de tension de type AA au bornes de la MADAau bornes de la MADA
Influence de la profondeur du creux de tension Influence de la profondeur du creux de tension avec lavec l’’approche asynchroneapproche asynchrone
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
V2
V3
VCREUX1 V1
VCREUX2
VCREUX3C
VCREUX1 V1
VCREUX2
V2
VCREUX3
V3 B
MADA
Bus B
Bus A
Creux de tension Creux de tension monophasmonophaséé en amont du transformateur HTAen amont du transformateur HTA
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
Partie III : Interactions RPartie III : Interactions Rééseau seau -- ÉÉolienneolienne
Creux de tension Creux de tension monophasmonophaséé en amont du transformateur HTAen amont du transformateur HTA
Bus A Bus B
Influence du Influence du rrééseau sur lseau sur l’é’éolienneolienne
•• Partie IPartie I : Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèles dles d’é’éoliennesoliennesOutils utilisés et classes de modèles
Commande de la turbine éolienne avec intégration du modèle mécanique
• Partie IIPartie II : ModModéélisation de llisation de l’é’éolienne olienne éétuditudiéée et exploitation des re et exploitation des réésultats sultats expexpéérimentauxrimentaux
Éolienne à base de MADA
Confrontation des résultats de simulation à des résultats de mesure de l’éolienne
• Partie IIIPartie III : IntIntéégration de lgration de l’é’éolienne dans un rolienne dans un rééseau moyenne tensionseau moyenne tensionInfluence de l’éolienne sur le réseau
Influence du réseau sur l’éolienne
• Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Contexte et objectifs de la thContexte et objectifs de la thèèsese
Mise en Mise en éévidence des niveaux de modvidence des niveaux de modéélisation ainsi que les formalismes utilislisation ainsi que les formalismes utilisééss
Objectif Objectif : ÉÉtude des sptude des spéécificitcificitéés lis liéées es àà ll’’intintéégration des gration des ééoliennes oliennes dans les rdans les rééseaux seaux éélectriques lectriques
Partie I :Partie I :
Formalismes et classes de modFormalismes et classes de modèèlesles
Partie II :Partie II :
ModModéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
ÉÉtude dtude d’’une une ééolienne olienne àà vitesse variablevitesse variableConception de deux algorithmes pour le M.P.P.T. en utilisant le G.I.C. et la R.E.M.
• Contrôle sans asservissement de la vitesse
• Contrôle en boucle fermée de la vitesse
Contrôle de l’éolienne afin de limiter sa puissance à sa valeur nominale pour des fortes vitesses du vent
Perspectives 1Amélioration du modèle en prenant en compte les vibrations de la tour, l’effet d’ombre
et la désynchronisation de l’orientation des pales et son influence sur les grandeurs du réseau de distribution
Prise en compte de la procédure de démarrage
Approche asynchrone
Approche synchrone
• En utilisant une consigne de puissance réactive nulle
• En minimisant les pertes Joules de la machine
ModModéélisation dlisation d’’une chaune chaîîne de conversion basne de conversion baséée sur une MADA de 1.5 MWe sur une MADA de 1.5 MW
Trois stratégies de contrôle de flux statorique
Deux estimateurs de flux sont déterminés
• En utilisant un contrôle en boucle fermée du flux statorique
Perspectives 2Établir une modélisation plus complète de cette génératrice éolienne prenant en compte
la saturation magnétique de la MADA.
Partie II :Partie II :
ModModéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Confrontation des rConfrontation des réésultats de simulation sultats de simulation àà des mesures effectudes mesures effectuéées sur es sur ll’é’éolienne de 1,5 MWolienne de 1,5 MW
Partie II :Partie II :
ModModéélisation et commande des lisation et commande des ééoliennesoliennes
Influence de l’éolienne sur le réseau
Vérification de la conformité de cette éolienne avec les normes de raccordement standard existantes
Influence de la fluctuation sur les puissances et le plan de tension
Estimation des harmoniques générés
Perspectives 3Compléter l’étude avec des modèles de lignes valables à des fréquences de plusieurs
kHz
Partie III :Partie III :
Interactions RInteractions Rééseau seau –– ÉÉolienneolienne
Mise en évidence des performances des stratégies de commande de la MADA en régime perturbé
Évaluation du comportement de l’éolienne en présence de défauts sur le réseau de distribution
Influence du réseau sur l’éolienne
Perspectives 4Utilisation d’un système de protection (CROWBAR,..) et conception des modèles à intégrer
avec des systèmes de détection de défauts
Participation au contrôle de la tension du réseau en absence ou en présence de défauts
Partie III :Partie III :
Interactions RInteractions Rééseau seau –– ÉÉolienneolienne