Contribution A La Commande Robuste D Une Gada Utilisee Dans Un Systeme De Conversion D Energie Eolienne
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Contribution à la commande robuste d'une GADA utilisée dans un système de conversion d'énergie éolienne
Cette thèse décrit la conception et la mise en oeuvre d'une commande directe des puissances pour une génératrice asynchrone à double alimentation (GADA). L'intérêt porté à la GADA est dû à sa capacité de fournir une puissance active par le stator et par le rotor selon son mode de fonctionnement. La topologie usuelle de la GADA adoptée dans ce travail consiste à connecter le stator directement au réseau, alors que le rotor se connecte par l'intermédiaire de deux convertisseurs triphasés à deux niveaux. Les deux convertisseurs sont identiques et sont connectés en cascade via un lien à courant continu (CC). La commande du convertisseur côté réseau assure la régulation de la tension du lien CC et la maîtrise du facteur de puissance côté réseau. Or, la commande du convertisseur côté machine permet de réguler les puissances active et réactive au stator de la GADA en tenant compte de la vitesse de rotation et du couple mécanique d'entraînement imposé sur la GADA. La commande vectorielle du convertisseur côté réseau est basée sur l'orientation de la tension de réseau en utilisant la transformation de Park pour assurer un découplage entre les puissances active et réactive côté réseau. Les régulateurs proportionnels-intégrales (PI) sont utilisés, en premier lieu, pour contrôler la tension du lien CC et le facteur de puissance à travers deux boucles de régulation imbriquées. En se basant sur l'orientation du flux statorique de la GADA, la structure et l'implémentation de la commande du convertisseur côté rotor est très similaire à la commande du convertisseur côté réseau. Par contre, cette commande consiste principalement à découpler les puissances active et réactive échangées avec le réseau au stator de la GADA. Également, on maîtrise la vitesse de rotation de la GADA, selon le mode de fonctionnement désiré, en utilisant des régulateurs PI. La commande robuste par mode glissant est proposée dans cette thèse comme alternative aux régulateurs PI. Ainsi, la commande dite directe des puissances par mode glissant est appliquée sur les deux convertisseurs afin d'améliorer le comportement de la GADA. Les stratégies de commande élaborées ont été simulées dans Matlab et implémentées expérimentalement sur un banc d'essai réalisé en laboratoire. Ceci a permis d'évaluer les techniques de contrôle des convertisseurs électroniques en laboratoire dans un contexte le plus réel possible, en apportant des contributions significatives. Les résultats obtenus montrent bien la validité de la démarche suivie. Ils montrent également que la stratégie de commande développée est bien adaptée aux problèmes de suivi de trajectoires, au respect des contraintes électromécaniques et à la robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques. This thesis deals with the design and implementation of direct power control for doubly fed induction generator (DFIG). The interest in the DFIG is due to its ability to provide active power by the stator and the rotor according to its operation mode. In this work, the topology adopted for the DFIG is to connect the stator directly to the network, while the rotor is connected to the network through two three-phase back-to-back converters. Both converters are connected in cascade via a direct current (DC) bus. The grid side converter provides DC bus voltage regulation and controls of the power factor. While the rotor side converter control ensures the active and reactive power regulation on the stator of the DFIG, taking into account the rotational speed and the mechanical drive torque imposed on the DFIG. The vector control of the grid-side converter is based on the grid voltage orientation using the Park transformation to ensure a decoupling between the active and reactive powers on the network side. Proportional-Integral (PI) controllers are primarily used to control the DC bus voltage and power factor through two cascade control loops. Based on the stator flux orientation of the DFIG, the structure and the implementation of the rotor-side converter control are very similar to the grid-side converter control. However, the role of this control is mainly used to decouple the active and reactive powers exchanged with the network at the stator of the DFIG. In addition, the DFIG rotational speed is controlled according to the desired operating mode using PI regulators. A robust sliding mode control is proposed in this thesis as an alternative to PI controllers. This control method is used to control both converters in order to improve the behavior of the DFIG. The developed strategy was simulated on MATLAB, and implemented experimentally through a test bench realized in laboratory. The objective was to experimentally evaluate the control techniques of electronic converters as close to reality as possible. The obtained results show clearly the validity of the adopted methodology. They also show that the developed control strategy is well adapted to tracking trajectory problems, to electromechanical constraints limits, and to robustness regarding parametric uncertainties.
Contribution à la commande robuste des éoliennes à base de génératrices asynchrones double alimentation
Le développement durable et les énergies renouvelables suscitent aujourd’hui l’intérêt de plusieurs équipes de recherches. Le développement des éoliennes représente un grand investissement dans le domaine de la recherche technologique. Ces machines qui produisent de l’énergie électrique à partir du vent peuvent constituer une alternative technologique et économique aux différentes sources d’énergies épuisables. D’ailleurs, la croissance de l’industrie éolienne mondiale est de lordre de 30% par an depuis le début des années 2000. De nombreux travaux de recherche sur le contrôle et la commande d’éoliennes ont été menés. Grâce à ces travaux, les dernières générations d’éoliennes fonctionnent avec une vitesse variable et disposent d’une régulation pitch. 11 est ainsi possible de modifier la vitesse de rotation et l’angle de calage de chacune des pales, permettant alors d’améliorer la production de l’aérogénérateur. Néanmoins, il reste encore à introduire plus d’intelligence dans le fonctionnement des aérogénérateurs. L’objectif principal de nos travaux de thèse est d’étudier les techniques de commande robuste, de la génératrice, susceptibles d’optimiser la production d’une éolienne, en particulier celle utilisant une génératrice asynchrone double alimentation. Par optimisation, nous entendons non seulement améliorer la qualité de l’énergie produite et le rendement énergétique mais aussi diminuer les charges mécaniques de fatigue ce qui aurait pour conséquence de rendre possible la fabrication d’aéroturbines plus légères améliorant de ce fait la productivité. La ou les techniques de commande doivent donc tenir compte du comportement de l’éolienne dans son ensemble. Pour ce faire, nous avons exploré l’apport des modes glissants classiques puis d’ordre supérieur pour répondre au cahier des charges fixé. Les techniques de commandes proposées ont été testées sur le simulateur FAST élaboré par le laboratoire Américain NREL (National Renewable Energy Laboratory). Des essais expérimentaux effectués au laboratoire Grenoblois G2Elab sur un banc de 7,5 kW ont permis la validation des techniques proposée. Elles restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d’intéressantes perspectives.
Contrôle-commande d’un générateur asynchrone à double alimentation avec système de stockage pour la production éolienne
Cette thèse traite de l’étude, la modélisation et la simulation d’un système de conversion d’énergie éolienne, permettant de fournir au réseau une puissance constante, basé sur une unité de stockage d’énergie et une machine asynchrone à double alimentation (MADA). Cette éolienne à axe horizontale fournie au réseau une puissance active constante quelles que soient les conditions de vent. L’association de batterie ou autre système de stockage sur le bus continu permet de stocker temporairement de l’énergie. La modélisation de la partie mécanique de l’éolienne est particulièrement détaillée, une hélice à angle de calage variable est utilisée pour maximiser la puissance extraite. Ensuite, la modélisation, le contrôle direct et le contrôle indirect de la MADA sont présentés. Un contrôle indépendant des puissances active et réactive est utilisé et le dimensionnement de l’unité de stockage pour cette utilisation est particulièrement détaillé. La commande de l’ensemble avec la recherche du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT) est expliquée. Des résultats de simulations permettent de valider l’étude pour deux profils de vent longue durée. Ce système de conversion éolien permet d’offrir des services systèmes comme la compensation de facteur de puissance ou la minimisation de courants harmoniques présent sur le réseau. Ainsi, la MADA est utilisée, avec une commande additionnelle, pour réduire les harmoniques de courant du réseau. Ce système facilite l’intégration des éoliennes dans le réseau de distribution car le gestionnaire du réseau peut avoir une puissance constante et des services systèmes utiles.