Etude d éoliennes à vitesse variable basées sur des machines asynchrones (MAS-MADA)

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1 Etude d éolienne à vitee variable baée ur de machine aynchrone (MAS-MADA) Equipe : Converion et qualité de l énergie M. Machmoum,, F. Poitier, L. Moreau et M.E. Zaïm,, R. Le Doeuff LARGE-GE44, GE44, Bd de l Univerité, BP 406, Saint Nazaire Cedex mohamed.machmoum machmoum@polytech.univ-nante. nante.fr

2 Plan Rappel ur la converion de l énergie éolienne : objectif et génératrice utiliée Machine aynchrone à cage : fonctionnement en autonome Machine aynchrone à cage à vitee variable Machine aynchrone à double alimentation connectée ur le réeau. Concluion et Perpective

3 Rappel ur la converion d énergie par éolienne C p P m λ 8 m m m m m. -1 λ Ω Courbe C p (λ) (pécifique à chaque éolienne). C p : coefficient de puiance λ : Rapport d avance (vitee de l extrémité de pale ur la vitee du vent). Dimenion Denité de d une pale l air Vitee du vent 1 Ω2R 2 3 P m = C ( ) R V1 2 p KV ρπ 1 Puiance mécanique diponible en fonction de la vitee du générateur pour différente vitee de vent.

4 Objectif de cette converion P m m m. -1 En vitee fixe : le maximum théorique n et pa atteint m m m Ω En vitee variable : La puiance maximale et exploitée pour toute le vitee du vent (régulation de λ optimal pour avoir Cp maximum)

5 Génératrice utiliée MAS R-L Machine aynchrone en autonome. * Néceité de capacité d autoexcitation pour magnétier la machine. MAS RESEAU DE DISTRIBUTION Machine aynchrone à cage débitant ur un réeau. * Obligation de fonctionner au voiinage du ynchronime. MASDA C1 U RESEAU DE DISTRIBUTION Autorie le fonctionnement à vitee variable ( MAS ou MADA).

6 Génératrice utiliée 3 GS Machine ynchrone à aimant permanent (MSAP) * bon rendement, faible puiance, adaptée aux faible vitee mai prix élevé. Machine à réluctance variable (MRV) permettant de upprimer totalement ou partiellement le multiplicateur de vitee. * Etude actuellement en cour.

7 Machine aynchrone à cage en fonctionnement autonome MAS TURBINE EOLIENNE R L CHARGE V abc Ω R Γm MAS (modèle de PARK) i abc Charge + excitation V abc Modèle diphaé aocié à une tranformation étoile-triangle côté charge méthode imple d étude de régime dééquilibré, gain en temp de calcul et modèle indépendant machine - charge/excitation. Paramètre : Machine LS, 3 kw, p=1, 220/380 V, J=0.117 kg.m 2, f= N.m. -1

8 Machine aynchrone à cage en fonctionnement autonome E R r /g l g I M M E I C C R E 350 M x : point expérimentaux -: Approximation polynomiale C=30µF C=40µF C=35µF Valeur de la mutuelle M (H) I m Point de fonctionnement pour différente valeur de capacité Courant magnétiant Im (A) Prie en compte de la aturation I m

9 Machine aynchrone à cage en fonctionnement autonome Tenion tator de phae a et c 400 Voltage build-up 2 Stator voltage of phae a Va (V) time () Stator voltage of phae c 200 Vc (V) Time () Simulation Relevé expérimental Proceu d amorçage en régime équilibré

10 Simulation Relevé expérimental Machine aynchrone à cage en fonctionnement autonome 400 Voltage fall-down Stator voltage of phae c V/div 1/div Vc (V) Time () Ca=Cb Cb=Cc=28.5 µf, Ω=3000 =3000 tr/min, eai à vide Déconnexion bruque d un condenateur ou de la charge Ca=Cb Cb=Cc=33 µf, Ω=3000 tr/min, Ra=Rb Rb=Rc=1kΩ 100 V/div 1/div

11 Machine aynchrone à cage en fonctionnement autonome V Tenion tator (V) µF V 32µF V 36µF Influence d une charge purement réitive P (W) t() Vitee (rad/) Tenion (V) Fréquence (Hz) Influence d un impact de vitee BILAN * Impoibilité d utilier de charge exigeante en tenion et fréquence. * Rique de démagnétiation. * Fonctionnement ur une plage de vitee retreinte. autre olution!

12 Vitee variable Avantage de la vitee variable Optimiation de l énergie captée Contrôle du tranfert de puiance et énergie propre envoyée ur le réeau. Inconvénient de la vitee variable Utiliation de machine péciale Convertieur de puiance «complexe»

13 Génératrice aynchrone à vitee variable néceité d utilier un convertieur de fréquence (ac( ac/dc dc/ac ac) ac/dc redreeur à diode aocié à un convertieur dc/dc (machine ynchrone) redreeur à MLI (machine aynchrone) getion du tranfert de puiance entre le redreeur à MLI et l onduleur (régulation du bu continu) et le placement au point de puiance optimum de l éolienne. 2 approche poible : approche ource de courant ou approche ource de tenion.

14 MAS aociée à un redreeur MLI Régulation de Puiance (1) Vdc régulée par l onduleur, le redreeur fixe le couple Commande vectorielle de la MAS ur modèle diphaé : Cref = Pref/Ωrotor et Ψref contant Génératrice aynchrone Redreeur MLI Vdc Vitee de rotation rotor Flux de référence Vitee du vent Algorithme de placement au point optimal de fonctionnement Commande vectorielle Puiance de référence Couple de référence

15 MAS aociée à un redreeur MLI Régulation de Puiance (2)

16 MAS aociée à un redreeur MLI Régulation de Vdc (1)

17 MAS aociée à un redreeur MLI Régulation de Vdc (2) Vitee déclenchement t=1.15 Pref=Pnom/4 et à t= 2 Pref=Pnom/2 Equilibre puiance auré - bon choix du rendement de l enemble convertieur machine. Bonne régulation de Vdc à l aide d un PI + compenation.

18 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) ur le réeau (forte puiance) P (f) MASDA C1 U RESEAU P(1+g) (f) gp (gf) (f) Avantage : tranfert bidirectionnel de la puiance rotorique. fonctionnement hypo. ou hyperynchronime,, donc large plage de vitee. Convertieur rotorique de faible puiance. meilleure utiliation de la machine : puiance élevée au delà du ynchronime poibilité de fonctionner à vitee élevée du vent. Mode «MPTM» au deou de Ω et couple contant au delà de Ω.

19 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) Modèle diphaé : Tenion tatorique et rotorique d V = R I + ψ θ ψ dt d V = R I + ψ + θ ψ dt d d d q q q q d d V = R I + ψ θ ψ dt d V = R I + ψ + θ ψ dt dr r dr dr r qr qr qr qr r dr Flux tatorique et rotorique : ψ ψ ψ ψ = L I + M I d d dr = L I + M I q q qr = L I + M I dr r dr d = L I + M I qr r qr q Equation m écanique : d Ω Γ m = Γ e + J + f Ω dt Contrôle de la puiance active et réactive ψ Γ e d = = ψ p M L et I qr ψ ψ q d = 0 V d = 0 et V q = V ω ψ d

20 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) V q gω M L K inv 1 + pt ψ inv d + V qr - ν 2 Modèle interne de la MADA ν 1 - R gω r 1 2 M + p( Lr ) L 2 M ( Lr ) L I qr MV L P V d 1 K inv + pt inv + V dr ν 3 + gω R r 2 M ( Lr ) L 1 2 M + p( Lr ) L 2 V L ω I dr MV L + ν 4 + Q

21 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) t ( ) ( 4 ) t ( ) t xd = i d,v dr,xdw = Q ref υ3 υ,u= v d, e = Q Q ref,y = id Qref υ 3 Y : meure, e :ignaux d erreur à réguler u : commande, w : perturbation et référence x ˆ xˆ B ( θ ) = ( ) + + Q d d 1,d ref d : Ad LdCy,d u Ldy ˆx ˆx dw dw 0 ω ν 4 ν 3-1 K Kinv 2 M ( ) d u V d 1+ pt Rr+ p Lr inv V L = d = 1,d 2,d dr + ˆx dw d ˆx u v K K P I dr MV L + + Q + - e y objectif : ynthétier un obervateur θ donnant u tq e=0 quelle que oit w. Le pole de (A d -L d C y,d ) ont placé en repectant un horizon de filtrage -ω f =-1/T f et de commande donné. -K d Xˆ, ˆ d Xd ω θ d oberver Contrôle de la puiance réactive - Schéma tandard Même démarche pour l axe q.

22 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) Tet 1 : Régulateur monovariable utilié : IP, RST, Obervateur Pouruite : échelon de puiance active P= P=-5kW à t=1 uivi d un échelon de puiance réactive P= 2kVar à t=2 Senibilité aux perturbation : échelon de vitee Ω=(318 =( ) rd/ à t=3 Tet 2 : même échelon en puiance avec variation aléatoire de la vitee Robutee vi-à-vi de la réitance rotorique

23 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) Répone à de impact de puiance active, de puiance réactive et de vitee va ia*20 P Q Ω meilleur découplage avec le RST qu avec le PI temp de répone : RST : tr=45m, PI : tr=130m échelon Ω : RST P=150W P=150W (3%) et Q=100Var (5%) PI P=1300W P=1300W (26%) et Q= Q= 1000Var (50%) pour le PI.

24 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) Performance du ytème uite à de variation aléatoire de la vitee va ia*20 P Q Ω Performance altérée avec le PI. Bonne performance avec le RST : P P et Q Q < 5%. Courant tator quai contant.

25 Machine aynchrone à double alimentation (MADA) Variation aléatoire de la vitee + tet robuteer Rr P Q Ω Performance médiocre avec le PI. Bonne performance avec le RST : P P et Q Q < 5%. Courant tator quai contant et robutee via à vi de Rr.

26 Synoptique du imulateur (macrocopique) de la turbine éolienne Vvent Coefficient de puiance C p de l'éolienne Ω1R λ = V vent Dipoitif mécanique (éolienne) Calcul du couple généré par l'éolienne 1 C p Γ = m π ρ R V 2 λ 3 2 Γ m - Γ r Equation mécanique 1 J + f Multiplicateur de vitee Ω 1ref 1 K Ω 2ref Ω 1 Γ r Calcul du couple P meuré MADA Ω 2 M Ω =Ω meuré 2 K f AC/AC Vitee de référence (rad/). Vitee meurée (avec l obervateur) (rad/).

27 Evolution de travaux Analye du fonctionnement de l enemble : imulateur - MCC - MADA. Validation expérimentale de loi de commande mono-variable établie en imulation pour la commande de la MADA. Etude d'une commande robute de la MADA par une approche multi-variable Prie en compte de la aturation Comparaion de la MADA avec la MAS à cage en prenant en compte le l conidération de rendement. Thèe en cour : Machine lente (MRV)

28 Banc d eai MADA MADA (7.5 kw) MCC (10kW) Dipoitif de production d énergie à étudier Moteur d entraînement detiné à imuler le comportement d une éolienne Dipoitif de commande (Onduleur +PC + carte d interface DSP)