Flywheel energy storage system associated to the wind generators

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1 Flywheel enegy toage ytem aociated to the wind geneato Gabiel-Octavian Cimuca To cite thi veion: Gabiel-Octavian Cimuca. Flywheel enegy toage ytem aociated to the wind geneato. Engineeing Science [phyic]. At et Métie PaiTech, 005. Englih. <NNT : 005ENAM007>. <patel > HAL Id: patel Submitted on Ma 007 HAL i a multi-diciplinay open acce achive fo the depoit and diemination of cientific eeach document, whethe they ae publihed o not. The document may come fom teaching and eeach intitution in Fance o aboad, o fom public o pivate eeach cente. L achive ouvete pluidiciplinaie HAL, et detinée au dépôt et à la diffuion de document cientifique de niveau echeche, publié ou non, émanant de établiement d eneignement et de echeche fançai ou étange, de laboatoie public ou pivé.

2 N d ode: ECOLE DOCTORALE 43 Ecole Nationale Supéieue d At et Métie Cente de Lille THÈSE péentée pou obteni le tite de DOCTEUR de L ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D ARTS ET MÉTIERS Spécialité: Génie Electique pa Gabiel-Octavian CIMUCA SYSTEME INERTIEL DE STOCKAGE D ENERGIE ASSOCIE A DES GENERATEURS EOLIENS MM. R. CIUPA Pofeeu à l UT Cluj-Napoca, Roumanie Péident I. BOLDEA Pofeeu à l UP Timioaa, Roumanie Rappoteu A. MIRAOUI Pofeeu à l UT Belfot-Montbéliad, Fance Rappoteu M.M. RADULESCU Pofeeu à l UT Cluj-Napoca, Roumanie B. ROBYNS Pofeeu à HEI Lille, Fance Ch. SAUDEMONT Eneignant-checheu à HEI Lille, Fance L ENSAM et un Gand Etabliement dépendant du Minitèe de Education Nationale, compoé de huit cente: AIX-EN-PROVENCE ANGERS BORDEAUX CHÂLONS-EN-CHAMPAGNE CLUNY LILLE METZ PARIS

3

4 A Ramona, à me paent.

5 Remeciement

6 Remeciement Remeciement Au teme de ce tavail, je tien à emecie tou ceux qui y ont collaboé, diectement ou indiectement, lo de toi année de thèe en cotutelle. Je tien tout paticulièement à emecie le Pofeeu M.M. Radulecu et B. Robyn, pomoteu de cette thèe de doctoat en cotutelle et dont le idée, le coneil, le citique, mai aui le encouagement, m ont été d une aide pécieue. Le deux ont fait beaucoup plu que leu devoi comme diecteu de thèe et c et pouquoi il ont ma econnaiance la plu pofonde. Je emecie Monieu M. Vittu, Diecteu de l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille pou m avoi accepté dan on établiement et pou l accod qu il a donné au financement de la plupat de tage effectué en Fance. Je emecie également le Pofeeu J.P. Hautie, Diecteu du Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance (LEP) de Lille et pofeeu à l ENSAM de Lille, pou on accod et pou on aide concenant le démaage et le déoulement de cette thèe en cotutelle. Je le emecie aui pou on accod concenant le financement de deux tage effectué à Lille. Me emeciement vont aui à Chitophe Saudemont, eneignant checheu à HEI et coencadant de ma thèe. Son aide pécieue pou appende à tavaille avec le cate dspace, mai aui le emaque petinente faite tout au long de ce tavail, ont eu une contibution déciive u la qualité et la quantité de éultat que je peux enfin péente ici. Pou leu paticipation à l évaluation cientifique de ce tavaux, je tien également à emecie Meieu I. Boldea, pofeeu à l Univeité «Politehnica» de Timioaa, Roumanie, et A. Miaoui, pofeeu à l Univeité de Technologie de Belfot-Montbéliad, Fance, en tant que appoteu et pui en tant que membe dan le juy. Je le emecie aui pou la édaction de appot dan de délai tè contaignant. Je emecie le Pofeeu R. Ciupa, Doyen de la Faculté de Génie Electique de Cluj-Napoca, qui m a fait l honneu de péide mon juy de thèe. Ma econnaiance va également au Pofeeu R. Munteanu, Recteu de l Univeité Technique de Cluj-Napoca et ancien Doyen de la Faculté de Génie Electique. C et lui qui m a convaincu de continue ma fomation d ingénieu en faiant une thèe de doctoat. Sa confiance en moi et e encouagement ont beaucoup contibué à ma femeté pou dépae le obtacle enconté duant la péiode de thèe. Je tien aui à emecie Madame M. Imec, pofeeu à la Faculté de Génie électique de Cluj- Napoca, qui m a fait découvi le ecet de entaînement électique et de imulation de ytème électomécanique. Se emaque tè petinente ont eu une contibution impotante à ma éuite dan la éaliation du banc d eai. Je n oublie pa Ludovic Leclecq, doctoant fançai et ami avec qui j ai beaucoup échangé lo du tavail qu on a mené en paallèle. C et lui qui a été mon «pof» d automatique.

7 Remeciement Me emeciement vont aui aux meieu M. Nae, A. Anel, A. Davigny (eneignant checheu à HEI), F. Gionco (technicien de laboatoie à HEI), et Y. Pankow (ancien doctoant à HEI), pou leu outien moal et pou l amabilité qu il ont montée enve moi lo de me tage de doctoat en cotutelle. Je emecie également le Meieu V. Tifa, I.Vadan, C. Ruu et I. Biou, pofeeu à la Faculté de Génie électique qui ont appoté le toi appot d avancement de tavaux de la thèe. J expime aui ma econnaiance enve tou le membe du Dépatement Machine électique de l Univeité Technique de Cluj-Napoca et pou tou me collègue que j ai côtoyé à Cluj-Napoca; il e econnaîtont. Je emecie tout paticulièement me collègue du Goupe de Petit moteu électique et Taction électique pou la chaleueue ambiance dan laquelle e ont déoulée ce denièe année. Si il y a une peonne à ne pa oublie, c et le Monieu D. Bocadi, mon ancien pofeeu d électotechnique pendant le lycée. C et bien lui qui m a fait plonge dan le ecet de l électicité et qui m a confié le clé du Laboatoie d Electotechnique, là où j ai paé de jou entie pou découvi le miacle que le électon peuvent poduie. Le meilleu entiment ont detiné pou la famille de Buno et Emmanuelle Sato. Le weekend paé avec eux ont fait que me éjou à Lille oient beaucoup plu intéeant. Meci beaucoup pou tout l amitié qu il ont manifetée enve moi. Je emecie également Victo Mete, mon ancien collègue de faculté et tè che ami, et Vioica, on époue, pou leu amitié et pou le temp qu on a paé enemble. Il ont beaucoup enoleillé le gi du Nod. Me emeciement vont aui à Guillaume Seille, Jame Flawn-Thoma (ancien élève HEI et un de pemie étudiant que j ai co-encadé lo de leu pojet fin d étude) et leu famille. Il ont devenu me ami et m ont fait découvi une patie de la Fance. Aui, je n oublie pa Piee Silva, Felipe Cota, Jean-Philippe Schaf Zanella, Thiey Sato et leu famille. Toute ce peonne ont beaucoup contibué pou que je puie m habitue avec la vie fançaie. Je péente me incèe emeciement à Madame Babaie, eponable du Sevice logement de l AEU. Elle m a toujou touvé une chambe, même dan de délai contaignant et an jamai pede on ouie éblouiant. Je emecie aui le conciege de éidence Valentine Chaendièe, Saint Michel, Foye Intenational, Teilhad de Chadin et Fancicain de Lille pou leu amabilité lo de me éjou à Lille. Un gand meci à Madame Iepan, mon pofeeu de fançai. Enfin, je emecie me paent pou tout ce qu il ont fait pou moi. Il e ont beaucoup acifié pou m offi toute le condition néceaie afin que je puie deveni ce que je ui. Ma econnaiance enve eux et inexpimable. Si j ai oublié quelqu un, je le pie de me padonne. Il y a tant de peonne qui ont intevenue dan ma vie pendant ce denièe année.

8 Sommaie Sommaie Avant-popo. Intoduction généale Patie I - Sytème inetiel de tockage d énegie (SISE)... 7 Chapite 1 Péentation du contexte Contexte actuel u le maché d électicité Stockage de l énegie dan le éeaux électique Technique de tockage à long teme Technique de tockage à cout teme Concluion Réféence 14 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Intoduction Le volant d inetie 0..1 Conidéation généale. 0.. Elément de calcul de éitance....3 Dimenionnement de volant d inetie pou le SISE Matéiaux utilié et caactéitique La machine électique Conidéation généale Machine électique utiliée dan le SISE Concluion 30.5 Réféence 31 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Intoduction u la modéliation de machine électique du SISE Axe de epèe claique Axe de epèe dq Axe de epèe αβ Equation dynamique de la machine électique du SISE Modéliation mathématique de la machine aynchone (MAS) Equation électique de la MAS dan le epèe dq Equation électique de la MAS dan le epèe αβ Commande vectoielle de la MAS Contôle diect en couple (DTC) de la MAS i

9 Sommaie 3.6 Modéliation mathématique de la machine ynchone à aimant pemanent (MSAP) Equation mathématique de la MSAP Fonctionnement de la MSAP au facteu de puiance unitaie Commande vectoielle de la MSAP Modéliation mathématique du convetieu électonique de puiance Onduleu de tenion avec onde poteue Onduleu utilié pou le DTC Modéliation mathématique du bu continu Concluion Réféence.. 65 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Intoduction Pete et endement du convetieu électonique de puiance Pete en commutation Pete en conduction Pete et endement énegétique du ytème MAS + volant d inetie Etimation de pete Joule dan la MAS Etimation de pete fe dan la MAS Etimation de pete pa fottement Bilan de puiance du SISE avec MAS Pete et endement du ytème MSAP + volant d inetie Etimation de pete Joule dan la MSAP Etimation de pete fe Etimation de pete pa fottement Rendement du SISE avec MSAP Concluion Réféence 84 Patie II - SISE aocié au généateu éolien Chapite 5 Aociation du SISE au généateu éolien Bef hitoique de généateu éolien Puiance founie pa le généateu éolien et containte Aociation du SISE au généateu éolien Concluion Réféence 9 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Intoduction u le contôle du SISE aocié au généateu éolien Contôle du SISE aocié au généateu éolien Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le convetieu coté éeau ii

10 Sommaie 6.. Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE Contôle en couple pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE Contôle en couple pou le SISE, contôle diect en couple pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE Amélioation de pefomance énegétique du DTC Supeviion du SISE aocié au généateu éolien Supevieu à puiance liée Supevieu à puiance contante Choix de la contante de temp du filte et dicuion u le éultat obtenu avec le deux type de upevieu Deuxième type de upevieu à puiance contante Concluion Réféence 116 Patie III - Banc d eai et éultat expéimentaux 117 Chapite 7 Péentation du banc d eai Deciption du banc d eai L émulateu de tubine éolienne (ETE) Le généateu ynchone à aimant pemanent (GSAP) Le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE) La connexion au éeau (CAR) Le GSAP Détemination de paamète du GSAP Réolution de poblème lié à l index de l encodeu incémental Implantation du contôle vectoiel pou le GSAP Poblème de compatibilité électomagnétique Communication ente le cate dspace DS 1103 et DS Concluion Réféence. 18 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE Rendement du SISE avec MAS et le contôle vectoiel Rendement du SISE avec MAS et le DTC Rendement du SISE avec MSAP et le contôle vectoiel Concluion Réféence 136 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Intoduction Démaage du SISE aocié au généateu éolien Réultat expéimentaux concenant contôle vectoiel de la MAS iii

11 Sommaie Eai an puiance éactive aux bone du éeau Eai avec puiance éactive aux bone du éeau Réultat expéimentaux concenant le DTC de la MAS Eai an puiance éactive aux bone du éeau Eai avec puiance éactive aux bone du éeau Compaaion du contôle vectoiel et du DTC dan le ca du SISE aocié au généateu éolien Concluion Réféence 149 Concluion généale et pepective 151 Annexe A.1 Application pécifique de SISE et compaaion avec d aute ytème de tockage A. Fabicant de ytème inetiel de tockage d énegie A.3 Le clae de endement adoptée en Euope pou le moteu aynchone à cage A.4 Détemination du flux d aimant pemanent de la MSAP A.5 Développement du upevieu à logique floue A.6 Catalogue technique Leoy Some pou la MSAP A.7 Cuiculum Vitae. 168 iv

12 Avant-popo La echeche péentée dan cet ouvage et le fuit de toi année de doctoat en cotutelle ente l Univeité Technique de Cluj-Napoca, en Roumanie, et l Ecole Nationale Supéieue d At et Métie, en Fance. En Roumanie, le tavail a été effectué à l Univeité Technique de Cluj-Napoca, au ein du Goupe de Petit Moteu Electique et Taction Electique. En Fance, le tavail et déoulé au ein de l équipe Réeaux Electique et Sytème Enegétique (RESE) du Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance (LEP) de Lille, dan le locaux de l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille. Le contexte de cette thèe a été uggéé en 1998 quand la ociété Noelec (ituée à Vequin et devenue Foclum Ingénieie en 001) poait le poblème de l augmentation du taux de pénétation de éolienne à vitee fixe dan le ite iolé, où le éolienne ont ouvent aociée à de généateu Dieel. Pou pemette cette augmentation, il et néceaie de lie la puiance généée pa le éolienne, ce qui néceite l ajout d un ytème de tockage à cout teme, tè dynamique, et le développement d une tatégie de commande de l enemble éolienne ytème de tockage. Cette poblématique a fait l objet d un pojet de echeche, aociant Noelec au LEP, financé pa la Région Nod-Pa de Calai. Le contexte égional a encouagé le développement de tavaux viant à augmente le taux de pénétation de éolienne dan le éeaux électique. Cela à caue du développement impotant péviible de l éolien dan la Région Nod-Pa de Calai. Une étude de RTE (getionnaie du éeau de tanpot d électicité) a évalué la capacité d accueil du éeau électique de la Région en éolienne claique (ne paticipant pa aux evice ytème) à envion 50 MW. Actuellement, plu de 600 MW d intallation éolienne ont en cou d étude dan la égion. A moyen teme, le feme éolienne devont donc paticipe aux evice ytème, i on veut dépae le 50 MW dont on a palé au-deu. Ce contat ont donc incité la Région à finance, dan le cade de on pogamme éolien, une thèe de doctoat u cette poblématique. Cette thèe de doctoat a démaé à la fin de l année 001, pa le tavail de Ludovic Leclecq [1], et a été outenue à la fin de l année 004. D aute thèe e ont uivie dan le cade du même pogamme en 00, 003 et 004, mai baée u d aute ouce de financement. L ouvage péent incit dan cette lite et a été démaé en 00. Le tavail de echeche péenté dan cette thèe a été financé pa pluieu ouce. C et le Minitèe Roumain de l Education et de la Recheche qui a aué la boue menuelle de doctoat duant la péiode de la thèe. Aui, deux pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie (CNCSIS) ont pemi l obtention d une patie de éultat théoique péenté dan cette thèe et aui le financement patiel de déplacement effectué à Lille [] et [3]. Bien û, il ne faut pa oublie le coté fançai, ca ce ont l HEI de Lille et l ENSAM de Lille qui ont paticipé altenativement au financement de me éjou en Fance. En effet, j ai effectué cinq tage de doctoat en cotutelle à Lille, chacun pou toi moi.

13 Avant-popo Réféence [1] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe 004. [] «Sytème inetiel de tockage d énegie», Pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie - CNCSIS, , Roumanie; eponable de pojet: Gabiel CIMUCA. [3] «Contôle diect en couple adapté à un ytème inetiel de tockage d énegie aocié à de généateu éolien», Pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie - CNCSIS, 005, Roumanie; eponable de pojet: Gabiel CIMUCA.

14 Intoduction généale

15 Intoduction généale L objet de cette thèe concene le ouce à énegie enouvelable et plu paticulièement l énegie éolienne, qui ont en plein développement en Euope. Suite au taité de Kyoto, l Euope a décidé d encouage fotement l implantation de ouce à énegie enouvelable et la poduction décentaliée d électicité. Cela poe de vai poblème aux éeaux électique du point de vue de leu getion. Actuellement, le éolienne intallée dan le monde ne paticipent pa aux evice ytème. Elle ont conidéée comme de chage négative et ce ont le centale claique qui doivent aue la tabilité de éeaux électique. C et pouquoi, le taux de pénétation de éolienne et limité et ne peut pa dépae 0-30 % de l énegie conommée. Pou facilite l intégation de éolienne et l augmentation du taux de pénétation, il faut touve de olution pou qu elle puient paticipe à la getion du éeau. Cela change totalement la viion de éeaux électique [1]. Loqu on pale de la poduction claique d énegie électique, on pene à de gande centale (themique, nucléaie et gande hydocentale) placée dan quelque point bien déteminé. Ce centale ont inteconnectée pa le éeau de tanpot à haute tenion (typiquement upéieue à 30 kv) [1] et ont commandée d une manièe coodonnée qui peut ête conidéée centaliée. Le éeau de tanpot fome de cicuit maillé, afin d aue une bonne inteconnexion de généateu povenant de difféente centale. Le éeaux de ditibution ont alimenté pa un nombe eteint de pote de tanfomation à pati du éeau de tanpot. Ce éeaux ont de tuctue adiale et tavaillent au deou de 30 kv [1]. Actuellement, le éeaux de ditibution ne compotent patiquement pa de ouce d énegie. Il ont utilié eulement pou alimente le conommateu. La poduction décentaliée concene de nombeue ouce d énegie, dont le puiance ne dépaent pa 100 MW, et dont la plupat ont connectée aux éeaux de ditibution. Ce ouce ne ont pa planifiée d une manièe centaliée. Elle ont intallée pa de poducteu indépendant et dan une multitude de ite. La patique actuelle, de ne pa faie paticipe la poduction décentaliée aux evice ytème, doit change à caue du développement de ce type de poduction. Donc, le nouveaux type de ouce d énegie doivent ête capable à aue de evice ytème: églage de la tenion, églage de la féquence, églage de la puiance éactive, paticipation à la épatition de chage, capacité de démaage en autonome ou black-tat et fonctionnement en îlotage. En aion du caactèe tè fluctuant et aléatoie du vent, une éolienne eule ne peut pa paticipe aux evice ytème. Il faut ajoute de ytème de tockage d énegie pemettant d avoi une éeve upplémentaie d énegie. Afin d aue l équilibe poduction / conommation, un ytème de tockage de type inetiel et enviagé [] et [3]. Il y a pluieu aion pou ce choix: bonne dynamique, bon endement, duée de vie imilaie à l éolienne, etc. L objectif généal de cette thèe et d étudie l aociation d un ytème inetiel de tockage d énegie au généateu éolien afin de contitue un enemble capable de founi de evice ytème ou de fonctionne en îloté. Le tavail de toi an de echeche et péenté dan cette thèe, étant tuctué en toi patie. 4

16 Intoduction généale La pemièe patie taite excluivement le ytème inetiel de tockage d énegie. On intéee u: le contexte actuel u le maché de l électicité et le beoin de tockage d énegie; le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE); on péente le type de SISE, le bae phyique, le poblème concenant le dimenionnement du volant d inetie et le choix de la machine électique incopoée. la modéliation mathématique du SISE, le pincipe de commande de machine électique concenée et le modèle mathématique de convetieu électonique de puiance; on enviage deux type de SISE: avec machine aynchone (MAS) et avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). bilan énegétique du SISE; on péente le modèle de pete dan la machine électique incopoée et dan le convetieu électonique de puiance, et on fait une etimation du endement du SISE. La deuxième patie taite de l aociation d un SISE avec un généateu éolien. Dan cette patie on intéee u: le poblème concenant la puiance généée pa un généateu éolien eul, le poibilité d aocie un SISE avec le généateu éolien et le poibilité de contôle de la puiance généée; le pincipe de contôle et de upeviion du SISE aocié au généateu éolien; on péente de pincipe de contôle du SISE et de éultat de imulation afin d etime le pefomance. Enuite, on péente de pincipe de upeviion du SISE, afin de le mainteni dan e limite de fonctionnement nomal. De imulation ont faite pou etime l efficacité de méthode de upeviion. Dan le pemièe deux patie, on péente de pincipe théoique. Cependant, une gande patie du temp de echeche a concené la éaliation d une platefome expéimentale detinée à l implantation patique de pincipe développé en théoie. Cette platefome expéimentale a été éaliée à l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille, dan le Laboatoie de l Electotechnique et de l Electonique de Puiance (LEP) de Lille. La toiième patie de la thèe pote u: la platefome expéimentale; on péente le compoante pincipale du banc d eai et quelque poblème pécifique qui ont appau duant le tavail. le expéimentation éaliée pou valide le éultat de imulation péenté dan la pemièe patie; le expéimentation éaliée pou valide le pincipe et le éultat de imulation péenté dan la deuxième patie. La thèe finit pa une concluion généale éuniant le concluion de tout le chapite. On péent aui le contibution oiginale et de pepective de la thèe. 5

17 Intoduction généale Réféence [1] M. Cappe, «Commande et égulation de éeaux électique», Hemè Science, Pai 003. [] J. P. Baton and D. G. Infield, Enegy Stoage and It Ue With Intemittent Renewable Enegy, IEEE Tanaction on Enegy Conveion, vol. 19, no., June 004, pp [3] EUR Bochue: Enegy Stoage - A Key Technology fo Decentalized Powe, Powe Quality and Clean Tanpot, Office fo Official Publication of the Euopean Communitie, Luxemboug, 001, 6

18 Pemièe patie SYSTEME INERTIEL DE STOCKAGE D ENERGIE (SISE) Réumé La pemièe patie de la thèe concene le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE). On péente le contexte actuel u le maché de l électicité et le poibilité actuelle de développement de ytème de tockage d énegie, notamment de SISE. Enuite, on continue avec la péentation de SISE et on dicute le poblème technologique concenant la contuction de ce ytème. Deux chapite ont éevé qu développement de modèle mathématique de compoante du SISE et de modèle de pete d énegie. Cette patie de la thèe finit pa la péentation de imulation faite pou etime le endement énegétique pou deux type de SISE: le SISE avec machine aynchone à cage et le SISE avec machine ynchone à aimant pemanent.

19 Chapite 1 Péentation du contexte 8

20 Chapite 1 Péentation du contexte Chapite 1 Péentation du contexte Réumé Ce chapite péente le contexte actuel u le maché de l électicité, le poibilité de développement pou le ytème de tockage de l énegie électique et quelque méthode utiliée pou tocke l énegie électique. Le développement de ouce de poduction décentaliée met en évidence de poblème nouveaux concenant le beoin de ytème de tockage d énegie. On a beoin de ytème de tockage à cout teme pou pouvoi aue la égulation du éeau électique et on a beoin de ytème de tockage à long teme pou une meilleue utiliation de centale électique. 9

21 Chapite 1 Péentation du contexte 1.1. Contexte actuel u le maché d électicité La libéaliation du maché de l électicité et le développement de la poduction décentaliée exigent une nouvelle appoche de poblème concenant le éeaux électique. Il y a de nombeux poblème nouveaux engendé pa la multitude de nouvelle ouce d énegie, ditibuée géogaphiquement et e développant apidement. D aute poblème e poent aui pou l aveni de la getion de éeaux électique [1] - [3]. Le tockage d énegie joue un ôle flexible et multifonctionnel dan le éeau d alimentation d énegie électique, en auant un management plu efficace de eouce diponible. En combinaion avec le ytème de poduction d énegie électique pa la conveion de énegie enouvelable, le Sytème de Stockage d Enegie (SSE) peuvent augmente la valeu de l énegie électique généée pa le centale éolienne ou olaie, en founiant de l énegie pendant le péiode de pointe et en accumulant l énegie pendant le péiode où la demande d énegie et éduite. De plu, le SSE facilitent l intégation de ouce d énegie enouvelable, comme le éolienne et panneaux photovoltaïque, dan le ytème énegétique. Statégiquement placé, le SSE peuvent augmente l efficacité du ytème exitant de tanmiion et de ditibution de l énegie électique. Le SSE peuvent ête utilié pou éduie le pointe de chage dan une tation d alimentation d énegie électique. Cela peut élimine le centale fonctionnant eulement pendant le péiode de pointe et pemette une meilleue utiliation de centale fonctionnant en égime pemanent (Fig. 1.1). Aui, le SSE event pou augmente la qualité de l énegie électique, en auant un meilleu contôle de la féquence et de la tenion. Fig Amélioation de la qualité d énegie électique et élimination de centale de cête (ouce 10

22 Chapite 1 Péentation du contexte puiance (kw) temp () Fig. 1.. Exemple de puiance généée pa une éolienne à vitee fixe de 300 kw Le poblème majeu aocié aux ouce d énegie décentaliée et qu elle ne paticipent en généal pa aux evice ytème (églage de la tenion, de la féquence, démaage en autonome ou black-tat, poibilité de fonctionne en îlotage, etc.). Le fait de ne pa paticipe aux evice ytème amène ce type de ouce à e compote comme de généateu paif du point de vue électique. Le églage de la tenion et de la féquence et dè lo epoté u le altenateu claique. Le taux de pénétation de la poduction décentaliée, c et-à-die la puiance qu elle génèe pa appot à la puiance conommée, doit alo ête limité afin de pouvoi gaanti la tabilité du éeau dan de condition acceptable [3]. Ceci et paticulièement vai pou le ouce à énegie enouvelable dont la ouce pimaie et difficilement péviible et tè fluctuante, comme c et le ca de l éolien pou lequel cetain etou d expéience indiquent que lo de taux de pénétation upéieu à 0 ou 30% de poblème de tabilité peuvent appaaîte [3]. La figue 1. monte un enegitement de la puiance généée pa une éolienne à vitee fixe de 300 kw (ancien ite éolien de Dunkeque) oumi à un vent moyen de 1 m/. Cet enegitement, qui illute le caactèe tè fluctuant de la puiance généée pa ce type d éolienne, monte que cette puiance peut ubi de vaiation de plu de 100 kw en 3 ec. Le ytème de poduction décentalié ont fot enible aux petubation du éeau. Le ceux de tenion ou le vaiation de féquence entaînent ouvent la déconnexion de la poduction lo d un incident u le éeau. Cette déconnexion peut aggave un dééquilibe poduction / conommation et, pa effet domino, accélée l avènement d un incident majeu dan le éeau. D aute pat, la poibilité de fonctionne en îloté pemettait à la poduction décentaliée de continue à alimente de conommateu iolé du éeau uite à un défaut u celui-ci, et aini de limite le nombe de client affecté pa ce défaut. L îlotage ete cependant intedit actuellement pou de aion de écuité de peonne et du matéiel. A ce jou, le éolienne ne paticipent pa au églage de la poduction. Cependant, ce fait doit ête changé à caue de l augmentation continue de leu taux de pénétation dan le éeaux électique. En aion de la ouce pimaie de ce ytème de poduction d énegie (le vent), qui et tè aléatoie et impéviible, une éolienne eule ne peut pa faie le églage de la poduction. Donc, on a beoin d un ytème de tockage jouant le ôle de tampon ente la ouce et le conommateu. Le ytème de tockage doit ête aez dynamique afin qu il oit capable d agi en temp éel, en fonction de fluctuation de la puiance généée et conommée. L augmentation du taux de pénétation de la poduction décentaliée ea donc conditionnée à la paticipation aux evice ytème de cette poduction. La paticipation au églage de la tenion en 11

23 Chapite 1 Péentation du contexte abobant ou en injectant de la puiance éactive tend à e développe, ca elle et actuellement impoée, en Fance notamment, pa la légilation [4]. 1.. Stockage de l énegie dan le éeaux électique L électicité ne peut ête tockée facilement et néceite a tanfomation ou une aute fome d énegie (chimique, themique, potentielle, mécanique, etc.). Le tockage de l énegie électique contitue une de compoante d un futu développement duable. Il y a pluieu méthode de tockage d énegie pouvant ête difféenciée en deux catégoie : Stockage à long teme (temp de tockage upéieu à 10 min); Stockage à cout teme (temp de tockage inféieu à 10 min). Enuite le technique de tockage le plu connue ont péentée bièvement Technique de tockage à long teme Stockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l eau Nommée aui tockage pa pompage hydaulique, et une méthode utiliée depui 199, étant la plu vieille technologie de tockage d énegie dan le centale. En effet, juqu à 1970, c était la eule option diponible u le maché pou tocke de gande quantité d énegie. Un tel ytème compote deux gand éevoi itué à de hauteu difféente. L eau et pompée du éevoi inféieu au éevoi upéieu, où elle et tockée. En fonction de la demande, l eau peut eveni au éevoi inféieu, mai en taveant une ou pluieu tubine hydaulique tanfomant l énegie potentielle de l eau en énegie mécanique. Enuite, de généateu entaîné pa le tubine tanfoment l énegie mécanique en énegie électique. De tel ytème peuvent founi juqu à 1000 MW, mai il ont conditionné pa le containte géogaphique, géologique, envionnementale et le coût aez élevé de leu contuction. Cependant, en Fance, 400 MW de tockage de ce type ont intallé. Stockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l ai compimé Le tockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l ai compimé (CAES, d apè le nom anglai : Compeed-Ai Enegy Stoage) contitue une aute altenative, appaue un peu plu tad. Cette technologie de tockage compote un gand éevoi outeain, bien étanche, où l on peut tocke de l ai compimé. En fonction de la demande, l ai compimé et délivé à une tubine à gaz entaînant un généateu électique. Aini, l énegie potentielle de l ai compimé et tanfomée en énegie électique. Le pemie CAES commecial a été éalié en Allemagne à Hundof, en 1978, et peut founi 90 MW. Comme pou le tockage hydaulique, la contuction de CAES et conditionnée aux containte géogaphique et géologique. Toutefoi, il y a déjà pluieu CAES contuit en Euope et aux Etat-Uni, en utiliant d ancienne mine de chabon ou de el, de vieux puit de pétole et de cavene outeaine étanche. Stockage d énegie ou fome d énegie chimique Le tockage d énegie ou fome chimique dan le batteie électochimique et de loin la technique la plu épandue pou le tockage de l énegie électique. En fonction du type de batteie, difféente éaction chimique ont povoquée en utiliant l énegie électique et en la tockant ou fome d énegie chimique. En fonction de la demande, de éaction chimique inveée poduient de l électicité. Le pemie et le plu utilié u le maché a été l accumulateu au plomb dont pluieu amélioation le endent encoe compétitif u le maché. Etant diponible u une plage de puiance 1

24 Chapite 1 Péentation du contexte tè étendue (quelque watt juqu aux module de quelque MW), le batteie électochimique peuvent ête utiliée dan une lage vaiété d application. En 1994, un ytème d accumulateu chimique capable de founi 0 MW u 40 minute a été intallé à Pueto Rico pou amélioe le contôle de la féquence et de la tenion du éeau électique [5]. Un aute exemple de gande taille, contitué d un accumulateu électochimique pouvant founi 40 MW u 7 minute (ou 7 MW duant 15 minute), a été intallé en Alaka en 003 afin de outeni le éeau électique [6] Technique de tockage à cout teme Stockage d énegie magnétique dan de bobinage upaconducteu (SMES) L énegie peut ête tockée ou fome d énegie d un champ magnétique céé pa un couant ciculant dan une bobine upaconductice. Pou mainteni la bobine dan l état upaconducteu, il faut l intoduie dan un cyotat empli d hélium liquide. Ce ytème ont l avantage d une dynamique et d une cyclabilité tè élevée. Cependant, le coût de fabication et de maintenance ont tè élevé et il y en a tè peu de SMES (d apè l abéviation en anglai) en fonction. Même i le echeche enviagent de SMES de l ode de MW, le ytème diponible actuellement ont compi ente 1 et 10 MW. Stockage d énegie électique dan de upe-condenateu C et la eule technologie où l on peut pale vaiment du tockage d électicité. Cependant, c et une technique bien nouvelle qui e touve encoe en phae de echeche. En péent, on touve féquemment de upe-condenateu dan le poduit électoménage, mai leu puiance ne dépaent pa le 7 10 W. Le echeche actuelle ont pou but l obtention de upe-condenateu dont la puiance oit de l ode de dizaine ou même de centaine de KW, afin d ête utilié dan de véhicule électique. Stockage d énegie cinétique dan une mae tounante appelée volant d inetie Le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE) ont été edécouvet depui quelque année. Un SISE compote un volant d inetie couplé à une machine électique pouvant fonctionne dan deux égime : moteu ou généateu. Le SISE ont de contante de temp de quelque minute juqu à pluieu heue, en fonction de leu conception. Le SISE ont touvé une application pécifique dan le domaine d amélioation de la qualité de l énegie électique, pou mainteni la féquence et la tenion du éeau dan le limite impoée pa le èglement. En aion de leu dynamique élevée, de leu bon endement et de leu longue péiode de vie, le SISE ont bien adapté pou tocke l énegie pendant de péiode coute, ce qui uffit pou amélioe la qualité de l énegie [7] et [8]. Dan [9], une analye et faite u la capacité du tockage à augmente la pénétation de éolienne dan le éeau. L aticle monte que le plu entable ytème de tockage et le SISE, i la péiode de tockage ne dépae pa 10 min. De plu, il et monté que l aociation d un SISE de 300 kw à une éolienne de 1 MW peut augmente le evenu de /an. Il y a encoe d aute technique de tockage d énegie [10] [1]. Le tableaux 1.1 et 1. ynthétient le caactéitique de quelque moyen de tockage à petite ou à gande échelle [1]. 13

25 Chapite 1 Péentation du contexte Tableau 1.1 Le bilan implifié de caactéitique de moyen de tockage à petite échelle Inductif Supecondenateu en bouteille éveible Ai compimé Hydogène PAC Technologie Electochimique Volant d inetie upaconducteu Fome d énegie Magnétique Electotatique Chimique Mécanique Ai compimé Cabuant Denité d énegie de 300 à 600 (accumulateu de 0 à 10 8 Wh/kg (00 Wh/kg eul, ho de 1 à 5 Wh/kg de 10 à 60 Wh/kg de 1 à 5 Wh/kg Wh/kg ba) (de 00 à 350 équipement ba) ho PAC annexe) Capacité éaliable ou éaliée Contante de temp Cyclabilité Rendement électique Connaiance de l état de chage Coût /kwh * qq kwh de qq à 1 min de à fatigue mécanique > 0,9 Aiée (couant) de 1M (1 kwh) à 300 (1 GWh) qq kwh de qq à qq min de à de 0,8 à > 0,9 elon égime Aiée (tenion) de à (dimenionnement en puiance) Remaque Cyogénie Gande cyclabilité * Attention, le coût et intégalement appoté à l énegie tockée de qq Wh à qq MWh de 10 min (NiCd) à 10 h (Pb) de 100 à 1000 dégadation chimique de 0,7 à 0,8 elon techno et égime Difficile Paamète vaiable de 50 à 00 (Pb-acide) de 700 à 1000 (Lithium) Technologie matue de qq kwh à qq 10 kwh de qq kwh à qq 10 kwh NA de qq min à 1 h de 1 h à qq jou de 1 h à qq jou de à fatigue mécanique de 0,8 à > 0,9 elon égime Aiée (vitee) de 150 à 000 (elon techno et pefomance) Coût global compétitif u la duée de vie de 1000 à fatigue mécanique de 0,3 à 0,5 elon égime Aiée (peion)? de 0,3 à 0,5 Aiée (empliage H )? de 500 à 1500 Rendement faible Intéeant i contexte de éeau d hydogène Tableau 1. Le bilan implifié de caactéitique de moyen de tockage à gande échelle Technologie Denité d énegie Capacité éaliable Puiance éaliable Rendement électique Intallation exitante Coût /kwh et /kw * Matuité Remaque Hydaulique gavitaie 1 kwh/m 3 pou une chute de 360 Ai compimé en cavene 1 kwh pa m 3 de cavene à 100 ba Batteie électochimique Batteie au Pb: 33 kwh/t Batteie Li-ion: 100 kwh/t Batteie à ciculation Themique à tubine 33 kwh/m 3 00 kwh/m 3 de 1 à 100 GWh de 0,1 à 10 GWh de 0,1 à 40 MWh de 10 à 100 MWh de 1 à 100 GWh de 0,1 à 1 GW de 0,1 à 1 GW de 0,1 à 10 MW de 1 à 10 MW de 10 à 100 MW de 65% à 80% MWh 1000 MW de 70 à 150 de 600 à 1500 Tè bonne Site avec dénivelé et etenu d eau 50% (avec l appot de gaz natuel) 600 MWh 90 MW de 50 à 80 de 400 à 100 Pluieu expéience dan le monde 70% ou moin en déchage apide 40 MWh 10 MW de 00 (Pb) à 000 (Li) de 300 (Pb) à 3000 (Li) Pluieu expéience avec de technologie matue 70% 60% 10 MWh 15 MW de 100 à 300 de 1000 à 000 En développement Pototype en fonctionnement Site avec cavene Métaux loud Poduit chimique - 50 de 350 à 1000 A l état de pojet Indépendant de containte géogaphique * Attention, le coût et intégalement appoté à l énegie tockée ou à la puiance maximale 14

26 Chapite 1 Péentation du contexte 1.3. Concluion Dan ce chapite on a péenté le contexte actuel u le maché de l électicité en mettant en évidence le beoin de tockage de l énegie. La deuxième patie du chapite fait une bève péentation de méthode le plu utiliée pou le tockage de l énegie électique Réféence [1] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe 004. [] M.Cappe, «Commande et égulation de éeaux électique», Hemè Science, Pai 003. [3] N. Jenkin, R. Allan, P. Coley, D. Kichen, G. Stbac, «Embedded geneation», The Intitution of Electical Enginee (IEE), London, 000. [4] Aêté du 17 ma 003, du avil 003 et du 4 juillet 003 «Peciption technique de conception et de fonctionnement pou le accodement à un éeau public de ditibution d une intallation de poduction d énegie électique», Minitèe de l économie, de finance et de l indutie. [5] P.C. Butle, «Battey Enegy Stoage fo Utility Application: Phae I Oppotunitie Analyi», Repot SAND95-605, Sandia National Laboatoie, novembe [6] Accumulateu : 40 MW pendant 7 minute, Revue de l Electicite et de l Electonique REE, n 10, novembe 003, pp.8. [7] R. Hebne, J. Beno, A. Wall, Flywheel batteie come aound again, IEEE Spectum, Apil 00, pp [8] R. G. Lawence, K. L. Caven, G. D. Nichol, Flywheel UPS, IEEE Induty Application Magazine, May June 003, pp [9] J. P. Baton and D. G. Infield, Enegy Stoage and It Ue With Intemittent Renewable Enegy, IEEE Tanaction on Enegy Conveion, vol. 19, no., June 004, pp [10] EUR Bochue: Enegy Stoage - A Key Technology fo Decentalized Powe, Powe Quality and Clean Tanpot, Office fo Official Publication of the Euopean Communitie, Luxemboug, 001, [11] A. Maquet, C. Levillain, A. Daviu, S. Lauent, Ph. Jaud, «Stockage d électicité dan le ytème électique», Technique de l ingénieu, taite Génie électique, D [1] H.B. Ahmed, B. Multon, G. Robin, M. Ruellan, «Le tockage d énegie dan le application tationnaie», Technologie, n 136, ma 005, pp

27 Chapite 1 Péentation du contexte 16

28 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Réumé Ce chapite pote u le SISE. Duant le denièe année, le SISE ont été edécouvet pa le indutiel du à leu avantage pa appot aux aute ytème de tockage d énegie [1] et []. Apè une intoduction u le SISE, on donne le bae phyique de ce ytème. Enuite, on péente le calcul de éitance pou le volant d inetie et on popoe une démache analytique concenant leu dimenionnement. Le étude montent que le volant pefomant compotent de matéiaux avec une gande éitance à la uptue et une petite mae volumique. Le chapite finit pa la péentation de machine électique utiliée dan le SISE. Ce machine doivent ête capable de fonctionne à la puiance nominale u une lage plage de vitee. Pluieu type de machine électique ont popoé, mai, pou l intant, eulement la machine aynchone et la machine ynchone à aimant pemanent ont utiliée dan le SISE diponible u le maché. 17

29 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie.1. Intoduction Loqu on pale de «ytème inetiel de tockage d énegie» (SISE) ou de «batteie électomécanique», on compend un ytème compotant un volant d inetie, un moteu-généateu électique et un convetieu électonique de puiance. La figue.1 monte le pincipe de fonctionnement du SISE. Comme dan la majoité de ytème de tockage d énegie électique, il y a une tanfomation éveible d énegie. Lo du tockage, l énegie électique et convetie en énegie mécanique pa l intemédiaie du moteu électique. L énegie mécanique et tockée dan le volant d inetie ou fome d énegie cinétique d une mae tounante. Lo de la déchage du SISE, l énegie mécanique et econvetie en énegie électique pa l intemédiaie du généateu électique. D habitude, il y a une eule machine électique qui peut fonctionne en moteu ou en généateu, en fonction du égime de fonctionnement du SISE. Le égime de fonctionnement et impoé pa le convetieu électonique de puiance, qui impoe le en de tanfet de l énegie à tave de la machine électique. Convetieu électonique de puiance Moteu électique Volant d inetie Généateu électique Convetieu électonique de puiance Enegie Enegie Electique Mécanique Electique Fig..1 Tanfet de l énegie dan un SISE Duant le denièe année, le SISE ont été edécouvet pa le indutiel en aion de leu avantage pa appot aux aute ytème de tockage d énegie [1] et []. Le SISE concouent avec le SMES dan le application néceitant quelque MW pendant 1, et avec le batteie dan le application exigeant de temp de tockage upéieue à 15 [3]. Pou l intant, le SISE ont concené pa toi application pécifique: Souce ininteuptible de tenion (UPS : Uninteuptible Powe Supply) pou potége le conommateu conte le chute de tenion accidentelle; Souce de tenion embaquée u le véhicule électique ou u le intallation patiale; Amélioation de la qualité de l énegie électique. Une péentation plu détaillée de application de SISE et donnée dan l annexe A.1., la ouce étant la evue IEEE Spectum, Avil 00, pp Aui, l annexe A.. péente une lite avec le fabicant de SISE. Le SISE peuvent ête difféentié en fonction de la plage de vitee et du matéiau dont le volant d inetie et fabiqué. Aini, il y a de SISE à volant lent et de SISE à volant apide. Il n y a pa encoe une limite bien définie pou épae le deux catégoie de SISE. D apè cetain auteu cette limite e touve à 6000 T/min [4], mai d aute palent de T/min [3] ou même de T/min []. Il exite de SISE à volant métallique et de SISE à volant de matéiaux compoite. D habitude, le volant lent ont métallique et le volant apide compotent de matéiaux compoite. 18

30 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Le SISE ont capable de founi de puiance tè élevée, limitée eulement pa le puiance nominale de généateu et de convetieu électonique de puiance. Le temp de épone et limité à quelque millieconde et le nombe de cycle chage / déchage et conditionné eulement pa l efficacité du ytème de efoidiement de compoant électique et électonique [3]. Le fottement contituent la ouce pincipale de pete dan le SISE. C et pouquoi le volant lent ont intoduit dan de enceinte emplie d hélium et le volant apide ont itué dan de enceinte vidée afin de éduie le fottement. Cependant, le pete d autodéchage etent impotante, mai le endement intantané et tè élevé. La duée de vie dépend de palie utilié. Pou le volant lent, le oulement diponible u le maché ont de duée de vie allant au-delà de 10 an et même plu. Le volant apide néceitent de palie magnétique, ce qui augmente le pix et la complexité de ytème. C et pouquoi le SISE à volant apide ont utilié utout dan le application embaquée; il offent peu d avantage dan le application tationnaie [3]. Palie magnétique Roulement Redeeu otatif Machine d excitation Capteu de poition adiale Stato du moteu -généateu Palie magnétique adial Aimant du moteu - généateu Couvecle Suface pou le efoidiement Machine pincipale Volant d inetie Volant d inetie (compoite) Abe en titane Roulement Amotieu de vibation Châi Enceinte vidée Capteu de poition axiale Couvecle Palie magnétique combiné a) b) Fig... Deux type de SISE a) SISE à volant lent (ouce b) SISE à volant apide (ouce: Une étude écente monte que, pami le fabicant de SISE, Pille a pi la pemièe place avec 47% du maché en 003. On enviage que le maché euopéen de nouveaux ytème de tockage d énegie (SMES, upe-condenateu et SISE) augmentea de 104 million $ en 00 à 15 million $ en 009, avec une coiance annuelle d envion 11%. Actuellement, le SISE epéentent plu de 90% de vente de nouvelle technologie de tockage et on enviage une coiance annuelle d envion 8%. De telle péviion ont due aux pepective de coiance du nombe de ouce d énegie enouvelable et le beoin d UPS d amélioation de la qualité de l énegie électique pou de difféente entepie [4]. La figue. monte deux chéma de SISE. Le pemie modèle (Fig...a) povient de Pille et concene le ytème POWERBRIDGE, déjà conacé u le maché de UPS. Ce ytème et diponible u une lage gamme de puiance (de 150 kva à 1,67 MVA) et compote un volant en 19

31 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie acie dont la vitee maximale et de 3600 T/min. Le plu gand SISE de Pille peut founi 1,67 MVA pou une duée de 1. La taille de ce ytème peut ête appoximée dan la figue.3. Le deuxième modèle (Fig...b) povient de la NASA. Il a été conçu pou ête utilié u la Station Spatiale Intenationale. 48 unité de SISE ont été fabiqué pou emplace le batteie électochimique de la tation [1]. Ce type de SISE compote un volant compoite dont la vitee maximale et de T/min. Une eule unité peut founi une puiance intantanée d envion 4,1 kw. La NASA etime qu une économie de plu de 00 million $ uite au emplacement de batteie électochimique pa le SISE et éaliable. Fig..3 Le ytème POWERBRIDGE de Pille Enfin, il ne faut pa oublie Beacon Powe ( qui popoe de batteie de SISE à volant apide detinée à la égulation de la féquence dan le éeaux électique ou au églage de la puiance founie pa le généateu éolien... Le volant d inetie..1. Conidéation généale Le fonctionnement de SISE et baé u l énegie cinétique, E c, du volant d inetie : Ω Ec = J, (.1) où J et le moment d inetie du volant et Ω a vitee de otation. Le moment d inetie peut ête calculé pa : J = k M R, (.) où M et la mae tounante, R et la ayon maximal du volant et k et un coefficient de fome qui pend le valeu : - k = 1, pou un anneau mince; - k = 0.5, pou un dique à épaieu unifome; - k = 0.4, pou un bille; - k = /3, pou une phèe. L énegie tockée dan le volant d inetie et limitée pa la éitance du matéiau dont celui-ci et fabiqué. La vitee du volant ne peut pa ête augmentée à l infini en aion de la foce centifuge qui mène à la déintégation du volant, i la vitee dépae le limite impoée pa le matéiau de fabication. La éitance à la uptue et la mae volumique du matéiau de fabication du volant d inetie jouent un ôle eentiel dan la détemination de la capacité de tockage de l énegie. Le matéiaux idéaux doivent avoi une éitance à la uptue la plu gande poible et une petite mae volumique. Actuellement, de volant d inetie tè pefomant ont fabiqué en Kevla. Ce matéiau 0

32 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie a une éitance à uptue d envion 4,8 GPa et une mae volumique d envion 1800 kg/m 3. Avec ce matéiau on peut contuie de volant d inetie capable d emmagaine l énegie à une denité d envion 181 Wh/kg, beaucoup plu gande que dan le batteie électochimique [5]. o b i h h Fig..4 Paamète géométique du volant d inetie Un volant d inetie ne peut pa toune juqu à la vitee maximale, où la foce centifuge devient égale à la éitance du matéiau dont il et fabiqué. En aion de la ûeté de l exploitation, on ecommande que la vitee du volant d inetie ne dépae pa 70% de la vitee maximale [5]. Pace que l énegie et popotionnelle au caé de la vitee, l énegie tockée dan le volant d inetie ne dépaea pa 50% de l énegie maximale. Dan la figue.4 ont péenté le paamète géométique du volant d inetie. Pou augmente le moment d inetie, on déie qu une patie la plu gande poible de la mae du volant oit ditibuée ve l extéieu de celui-ci. L inetie du volant et donnée pa la elation uivante : J [ m ( + ) + m ( + ) + m ] 1 = 1 i o i b 3 b, (.3) où: m 1 et la mae du cylinde extéieu; m et la mae du dique faiant la liaion ente le cylinde extéieu et le moyeu du volant; m 3 et la mae du moyeu du volant et de la patie de l abe qui e touve dedan. Le toi mae ont calculée comme uit: ( o ) ( i ) m = ρ V = ρ π h, (.4.a) i m = ρ V = ρ π h, (.4.b) b m = ρ V = ρ π h, (.4.c) b où: ρ 1, ρ, ρ 3 ont le mae volumique dont le difféente patie du volant ont fabiquée. Si le volant et fabiqué d un eul matéiau (ca de volant en acie), le moment d inetie peut expime pa : J ρ π = [ h ( + ) + h ( )] 4 o i b i b. (.5) 1

33 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie En intoduiant la elation (.5) en (.1), l énegie cinétique de volant peut expime pa ( ) ( ) [ ] Ω π ρ + + = b i b i o c h h E. (.6)... Elément de calcul de éitance En conidéant un volant d épaieu unifome et de mae volumique ρ (Fig..5), la foce centifuge agiant u un élément du dique peut ête écite comme uit [6, 7]: Ω ϕ ρ Ω = = d d h dm df c. (.7) a) b) Fig..5 Foce et containte dan un volant à épaieu unifome En conidéant l élément épaé du dique (Fig..5.b), on obtient la elation uivante: ( )( ) 0 in = Ω ϕ ρ ϕ σ ϕ σ ϕ σ σ d h d d d d d d t. (.8) où: σ et la containte nomale à la ditance de cente du volant; σ t et la containte tangentielle agiant u l élément de volant. En faiant le calcul, le containte u un contou de ayon peuvent expime [7]: + + = 8 3 o i o i Ω ρ µ σ, (.9) = o i o i t µ µ Ω ρ µ σ, (.10) Ω d df c dφ o i h ( )( ) ϕ σ σ d d d + + d t σ d t σ σ dϕ df c

34 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie où µ et le coefficient de Poion pou le matéiau dont le volant et fabiqué. Su le contou extéieu ( = o ) et intéieu ( = i ) du volant, le containte deviennent: σ σ = 0, (.11) i = o 3+ µ 1 µ σ ti = ρ Ω i + o, (.1) 4 3+ µ 3+ µ 1 µ σ to = ρ Ω i + o, (.13) 4 3+ µ où: σ i, σ o ont le containte nomale u le contou de ayon i, epectivement o ; σ ti, σ to ont le containte tangentielle u le contou de ayon i et o. En compaant le elation (.1) et (.13) on obeve que la containte σ t et plu gande à l intéieu qu à l extéieu. Pa conéquent, la condition de éitance pou le volant écit comme uit: σ max = σ ti σ adm, (.14) où σ adm epéente la containte maximale admiible pou le matéiau dont le volant et fabiqué. df cα Ω N dα i N o Fig..6 Equie explicative au calcul implifié de éitance Pou le ca où le volant et de type couonne mince (Fig..6), puique la difféence ente le ayon extéieu et intéieu et beaucoup plu petite que le ayon intéieu, le calcul de éitance peut ête implifié, en négligeant le ayon et le moyeu [7]. Aini, en conidéant un élément de couonne de lageu h, la foce centifuge agiant u celuici et donnée pa : où ( ) Ω ρ h dα dfc α = dm Ω = o i, (.15) 3

35 4 3 3 d ( o i ) in ( ) dα = 3 o i Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie α. (.16) En négligeant le poid pope de l élément de couonne, on peut écie l équation d équilibe pou le foce agiant u celui-ci: df c α Il en éulte: dα = N in N dα. (.17) df dα cα N = = ρ Ω = ρ S où: S = h ( o i ) et l aie de la ection de la couonne; v = Ω et la vitee moyenne de la couonne. La containte dan le volant et alo : N = = ρ v S S v, (.18) σ. (.19) On obeve, elon la elation (.19), que la containte dan le volant ne dépend pa de a ection. Aini, on peut déduie facilement la vitee péiphéique admiible du volant : σ adm v adm = o Ωadm =. (.0) ρ..3. Dimenionnement de volant d inetie pou le SISE Loqu on veut fabique un volant d inetie pou un SISE, il y a deux condition initiale dont il faut teni compte. Pemièement, il faut connaîte la vitee maximale de otation du volant. Cette vitee et choiie en fonction de la vitee maximale de la machine électique qui entaînea le volant d inetie, ca il et ecommandable d exploite au maximum la plage de vitee de la machine électique. La deuxième condition concene la capacité du volant d inetie, c et-à-die l énegie maximale qu il doit tocke. En patant de ce condition initiale, une démache analytique peut ête établie pou calcule le dimenion du volant. En conidéant un volant d épaieu unifome (Fig..5), il faut tout d abod choii le ayon intéieu i. Ce ayon et choii en fonction de l abe du volant et de containte technologique concenant la fabication. L abe fait le couplage ente le volant et la machine électique, et doit uppote le couple maximal de la machine. Aini, l abe doit outeni le poid du volant. En connaiant la vitee maximale de la machine électique, Ω max, la vitee maximale que le volant doit uppote et calculée pa Ω vol = k Ω max, (.1) où k epéente le coefficient de ûeté pou le volant. D habitude, k = 1,4 [5]. 4

36 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie A pati de elation (.1) et (.14), le ayon extéieu doit epecte la condition uivante: 4 σ adm 1 µ o o max = i, (.) (3 + µ ) ρ Ω 3 + µ vol où σ adm, ρ et µ ont le caactéitique du matéiau utilié pou la fabication du volant. On voit qu il et poible de choii une multitude de valeu pou o tant qu on epecte la condition i < o omax. L expeion (.) et aez compliquée, mai indipenable i on veut faie un calcul bien péci. Toutefoi, i on enviage un volant de type couonne mince, on peut touve le ayon extéieu à pati de l expeion (.0): σ adm 1 o o max =. (.3) Ω ρ vol L épaieu du volant et donnée en fonction de l énegie maximale qu il faut y tocke. L inetie du volant d épaieu unifome et donnée pa J 4 4 ( ) ρ π h = o i. (.4) A pati de équation (.1) et (.4), l épaieu du volant d inetie et expimée pa h = 4 E ρ π Ω max max 4 4 ( ) o i, (.5) où E max epéente l énegie maximale que l on veut tocke dan le volant. Une aute dicuion intéeante u le dimenionnement de volant d inetie et péentée dan [53]. 5

37 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie..4. Matéiaux utilié et caactéitique Dan le tableau.1 ont donné quelque type de matéiaux utilié pou la contuction de volant d inetie et le caactéitique de ce volant. En conidéant un volant avec la fome donnée dan la Fig..5 et ayant le dimenion o = 5 cm, i = 0 cm et h = 40 cm, on moment d inetie aua la valeu 5 J = 144,9 10 ρ [kg m ]. Pou détemine le caactéitique de volant, on a conidéé le même dimenion, la difféence étant donnée pa le matéiau dont il ont fabiqué. On obeve que le volant ayant une gande éitance pécifique (le appot ente la éitance à uptue et la mae volumique) péentent de caactéitique upéieue. Tableau.1 Matéiaux utilié pou la contuction de volant et caactéitique de ce volant Mae volumique ρ [kg/m 3 ] Mae du volant [kg] Réitance à uptue σ [MN/m ] Réitance pécifique [MNm/kg] Moment d inetie J [kg m ] Vitee péiphéique maximale v max [m/] Vitee maximale n max [T/min] Vitee angulaie maximale Ω [ad/] Enegie cinétique à 70% de la vitee maximale Denité d énegie [Wh/kg] Kevla Fibe de chabon + éine Fibe de vee + éine Alliage de titan Acie de gande éitance Alloy (alliage d aluminium) ,9 4,4 56,5 17, 0,5 76, ,66 1,6 0,8 0,7 0,16 0,7 0,,608,1735,898 6,505 11,30 3, ,99 164,91 894,4 519, , , , ,68 078,44 7,6 [MJ] 7,57 [kwh] 13,63 [MJ] 3,79 [kwh] 9,08 [MJ],5 [kwh] 6,9 [MJ] 1,9 [kwh] ,44 7,08 11,96 [MJ] 1,96 3,3 [kwh] ,37 [MJ] 0,93 [kwh] 148,7 89,3 44,6 15,1 8,9 15,1 1, 6

38 .3. La machine électique.3.1. Conidéation généale Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie La machine électique et une compoante eentielle du SISE, donc on choix et un poblème impotant de dimenionnement du SISE. Le machine électique detinée aux SISE doivent ête capable de fonctionne à puiance contante u une lage plage de vitee. C et la difféence ente ce type d application et le application conventionnelle. Du point de vue de la plage de vitee, le machine électique detinée aux SISE ont imilaie aux machine électique utiliée dan la taction électique [8]. Pluieu type de machine électique peuvent ête intégée dan un SISE; le choix de la machine et fait en tenant compte de quelque citèe: le type de SISE: mobile ou tationnaie; l application: amélioation de la qualité de l énegie électique, Alimentation Statique Ininteuptible (ASI), alimentation de chage iolée, etc. ; le coût total du ytème; le pefomance ouhaitée du ytème; la plage de vitee du ytème; l envionnement où le ytème ea placé, etc. Pou le machine électique alimentée pa l intemédiaie de convetieu électonique de puiance, on n utilie plu le teme vitee nominale ca «nominal» ignifie quelque choe qu on ne peut pa dépae en égime nomal d exploitation. Pa conte, on utilie le teme vitee de bae qui ignifie la vitee où il faut commence le défluxage de la machine, i on veut augmente encoe a vitee. La vitee maximale concene la limitation en vitee de la machine. Cette limitation peut ête impoée pa difféente containte électomagnétique ou technologique. P nom C nom Puiance Couple Ω b Ω max Fig..7 Enveloppe de couple et de puiance d une machine électique La figue.7 monte le enveloppe de couple et de puiance d une machine électique. Su cette figue on ditingue deux zone de fonctionnement pou la machine: Fonctionnement au-deou de la vitee de bae, Ω b. Dan cette zone, le couple nominal de la machine et diponible, mai la puiance maximale et vaiable, en fonction de la vitee, et plu petite que la puiance nominale. Cette zone ne péente pa beaucoup d intéêt pou le SISE. Fonctionnement au-deu de la vitee de bae, Ω b. Dan cette zone, le couple et diminué afin de limite la puiance de la machine à la valeu nominale. C et la zone de 7

39 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie fonctionnement utiliée dan le SISE pace qu ici la puiance nominale de la machine et diponible pou n impote quelle vitee. En conidéant la vitee de bae, Ω b, et la vitee maximale, Ω max, d une machine électique, le appot X Ω = max, (.6) Ω b caactéie la machine du point de vue du fonctionnement à puiance contante. Pou le SISE, il et ouhaitable que X oit le plu gand poible afin de pofite au maximum de l énegie tockée dan le volant tounant à la vitee maximale. Pa exemple: Une machine ayant X =, pemet un fonctionnement à puiance contante ente 50% et 100% de la vitee maximale. Cela veut die qu on peut pofite de 75% de l énegie tockée dan le volant d inetie, i on veut fonctionne à la puiance nominale de la machine électique. Une machine ayant X = 5, pemet un fonctionnement à puiance contante ente 0% et 100% de la vitee maximale. Donc, 96% de l énegie tockée dan le volant et diponible même i la machine électique fonctionne toujou à a puiance nominale. Il n y a pa une elation diecte ente le dimenion du volant d inetie et la puiance nominale de la machine électique. Si le dimenion du volant donnent la capacité du SISE, la puiance nominale de la machine électique impoe la puiance maximale de chage ou de déchage. Donc, le choix de la puiance nominale de la machine électique et fait eulement en fonction de la puiance nominale du SISE..3.. Machine électique utiliée dan le SISE Machine ynchone à éluctance vaiable Ce type de machine a été popoé en 1996 pa une équipe améicaine de Bekeley, Univeité de Califonie [9] [11], pou de SISE à volant apide (48000 T/min). De étude péliminaie ont été faite u la machine ynchone à éluctance vaiable en montant e avantage pa appot aux aute machine [1] et [13]. Le calcul théoique etiment de pefomance upéieue pou cette machine pa appot aux machine aynchone à cage (le plu utiliée), mai à condition d avoi de appot de aillance élevé. On etime qu une machine dont la aillance et autou de 10, donne de pefomance imilaie à une machine aynchone à cage. De appot upéieu amènent à de pefomance meilleue pa appot aux machine aynchone. Pa exemple, le pototype péenté dan [13] a un appot de aillance égal à 16, ce qui pemet d obteni un endement d envion 84% et un facteu de puiance coφ = 0,91 (puiance de la machine: 1,15 kw). Toutefoi, cette machine ete encoe dan la phae de pototype et le pefomance pédite avèent tè difficile à mette en patique. Machine ynchone homopolaie Il y a deux équipe qui ont popoé cette machine pou le SISE. C et toujou l équipe améicaine de Bekeley, Univeité de Califonie qui popoe une machine ynchone homopolaie à entefe adial pou le SISE à volant apide (juqu à T/min) [14] et [15]. Un pototype de 30 kw à été éalié et le eai ont démonté un endement d envion 83% pou une accéléation à puiance contante ente et T/min. 8

40 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Une aute équipe, fançaie, de l Ecole Nomale Supéieue de Cachan, popoe une machine ynchone homopolaie à entefe axial detinée aux SISE à volant lent (juqu à T/min) [16] et [17]. L invention a été potégée pa un bevet fançai et le auteu epèent éalie un SISE ayant une puiance nominale de 3 kw, une capacité de 3 kwh et de long cycle chage / déchage (juqu à 4 h). Pou l intant, eul un pototype de 60 W et 0 Wh a été éalié afin de continue la echeche expéimentale. Machine à éluctance vaiable et double aillance Connue aui ou le nom de SRM (Switched Reluctance Machine), cette machine a été popoée pou le SISE pa pluieu auteu [8], [18] []. L avantage ouligné pou cette machine conite dan une plage de vitee tè étendue pou le fonctionnement à puiance contante (X = 8) [8]. Cependant, celle-ci n'exite actuellement qu'à l'état de pototype. Une éaliation notable et décite dan [19], où on monte de éultat expéimentaux obtenu avec un SISE contenant une SRM de 50 kw et fonctionnant ente 5000 et T/min. Toutefoi, apè le pemie éultat publié en 00, l équipe n a plu fait d aute publication. Machine ynchone à aimant pemanent Ce type de machine et le plu etictif du point de vue de la plage de vitee à puiance contante. Théoiquement, X =, mai, en patique, de valeu inféieue ont diponible (X = [1,5 1,6]) [8] et [8]. De plu, pou augmente la vitee au-deu de la vitee de bae, il faut affaibli le flux de l aimant pemanent, ce qui povoque une diminution du endement de la machine. Selon cetain auteu, cette machine et plu appopiée pou le fonctionnement au-deou de la vitee de bae [8], mai cela n et pa enviageable pou le SISE ca le fonctionnement à puiance contante n et plu poible. Malgé ce déavantage, le machine ynchone à aimant pemanent ont tè utiliée dan le SISE et il y a beaucoup de papie taitant ce type de SISE [3] [36]. Le pincipale aion pou choii ce type de machine ont: endement tè élevé, gande puiance maique, implicité du contôle. Pluieu entepie, comme Beacon Powe, ont déjà mi u le maché de SISE équipé avec de machine ynchone à aimant pemanent. Machine aynchone Actuellement, c et la machine la plu utiliée dan le SISE [37] [49]. De éaliation vaiment notable ont été déjà annoncée concenant ce type de machine. En 1996, un SISE compotant une machine aynchone à double alimentation de 0 MW et un volant d inetie de kg et 4 m de diamète, a été intallé en Japon pou égule la féquence dan une ligne électique à 13 kv [43] et [44]. Le même aticle péentent un aute pojet japonai dont un SISE, contenant une machine aynchone à double alimentation de 70 MVA et ayant une capacité de 40 MJ, conçu pou alimente un ynchoton. Le deux éaliation compotent de volant lent, au-deou de 1000 T/min. Une aute éaliation emaquable a été annoncée aux Etat-Uni [48]. Un SISE a été conçu pou équipe de locomotive. Ce SISE compote une machine aynchone à cage d une puiance nominale de MW à 1000 T/min. Le ytème de efoidiement a été pécialement conçu pou pemette le fonctionnement continu à la puiance nominale u une plage de vitee compie ente 7500 T/min et T/min. Le volant d inetie et fabiqué en matéiau compoite ayant 1,6 m en diamète, 1,9 m en longueu et une mae de 8600 kg. La capacité du volant et de 360 MJ ou 100 kwh; il peut founi MW pendant 3 min. Le fabicant d UPS, Pille, utilie aui la machine aynchone dan on ytème POWERBRIDGE ( 9

41 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie Le pemièe application de SISE dan le domaine éolien ont conidéé la machine aynchone à cage et de volant d inetie lent [37] et [40]. La majoité de SISE avec machine aynchone ont de SISE à volant lent, mai le convetieu électonique de puiance pemettent la éaliation de SISE à volant apide même avec le machine aynchone [38], [39], [47] et [48]. Malgé la concuence de machine ynchone à aimant pemanent, le machine aynchone etent encoe compétitive gâce aux nome écemment adoptée pou le contucteu de machine électique [50] et [51]. De plu, un avantage tè impotant de machine aynchone, pa appot aux machine ynchone à aimant pemanent, éide dan la plage de vitee à puiance contante. Avec un dimenionnement appopié, cette machine peut abouti à un appot X = 5 [5]. Pa un dimenionnement et une fabication oigneuement fait, le endement de machine aynchone peut ête augmenté conidéablement et leu pefomance e appochent bien aux pefomance de machine ynchone à aimant pemanent. Dan l Annexe A.3, ont donnée le clae de endement adoptée en 1999 pa l Aociation de fabicant euopéen de moteu (Euopean Moto Manufactue Aociation CEMEP) et la Commiion euopéenne DG TREN (Diection généale de l'enegie et de tanpot). Ce ont de infomation touvée u l Intenet à l adee Deux type de SISE ont été conidéé au début de cette thèe de doctoat: SISE avec machine aynchone à cage (MAS) et SISE avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP)..4. Concluion Dan ce chapite, une péentation de ytème inetiel de tockage d énegie (SISE) et faite. On décit le difféent type de SISE et leu domaine d application. Un aute poblème taité dan ce chapite concene le calcul de éitance de volant d inetie et on popoe une démache analytique pou le dimenionnement de volant. Enfin, la denièe patie du chapite met en évidence le poblème lié au choix de la machine électique du SISE. On péente le containt que cette machine doit uppote et on fait une étude bibliogaphique u le machine utiliée dan le SISE. 30

42 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie.5. Réféence [1] R. Hebne, J. Beno, A. Wall, Flywheel batteie come aound again, IEEE Spectum, Apil 00, pp [] R. G. Lawence, K. L. Caven, G. D. Nichol, Flywheel UPS, IEEE Induty Application Magazine, May June 003, pp [3] EUR Bochue: Enegy Stoage - A Key Technology fo Decentalized Powe, Powe Quality and Clean Tanpot, Office fo Official Publication of the Euopean Communitie, Luxemboug, 001, [4] A. Ruddell, Invetigation on Stoage Technologie fo Intemittent Renewable Enegie: Evaluation and ecommended R&D tategy, INVESTIRE-NETWORK, Stoage Technology Repot: WP-ST6 Flywheel, Contact no. ENK5-CT , 003. [5] Jey Dinkin, Key Lee, Sam Mahejian, Byon Pinkoki, Gound-Baed Enegy Stoage, Texa Space Gant Conotium, Texa Tech Univeity, [6] ***, HUTE Manuel de l ingénieu. Fondement, Editua Tehnică, Bucueşti, 1995 (en oumain). [7] D. R. Mocanu, Réitance de matéiaux, Editua Tehnică, Bucueşti, 1980 (en oumain). [8] Y. Gao, S.E. Gay, M. Ehani, R.F. Thelen, R.E. Hebne, Flywheel Electic Dive Chaacteization fo Hybid Vehicle, Intenational Jounal of Electical Engineeing in Tanpotation, vol. 1, no. 1, 005. [9] H. Hofmann and S. R. Sande, Synchonou eluctance moto/altenato fo flywheel enegy toage ytem, in Poc IEEE Powe Electonic in Tanpotation Wokhop, 1996, pp [10] H. Hofmann, S. R. Sande, High-Speed Synchonou Reluctance Machine with Minimized Roto Loe, IEEE Tanaction on Induty Application, Volume 36, Iue, Ma.-Ap. 000 Page(): [11] H. Hofmann, S. R. Sande, A. EL-Antably, Stato-Flux-Oiented Vecto Contol of Synchonou Reluctance Machine With Maximized Efficiency, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, Volume 51, Iue 5, Octobe 004, Pp [1] T. Fukao, A. Chiba, M. Matui, Tet eult on a upe-high-peed amophou-ion eluctance moto, IEEE Tanaction on Induty Application, Volume 5, Iue 1, Jan.-Feb Page(): [13] I. Boldea, Z.X. Fu, S.A. Naa, Pefomance evaluation of axially-laminated aniotopic (ALA) oto eluctance ynchonou moto, IEEE Tanaction on Induty Application, Volume 30, Iue 4, July-Aug Page(): [14] P. Tao, M. Seneky, and S. R. Sande, A ynchonou homopola machine fo high-peed application, in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 00, pp [15] P. Tao, S.R. Sande, An Integated Flywheel Enegy Stoage Sytem With Homopola Inducto Moto/Geneato and High-Fequency Dive, IEEE Tanaction on Induty Application, Vol. 39, No. 6, Novembe / Decembe 003. [16] O. Gegaud, H.B. Ahmed, B. Multon, N. Benad, Nouvelle achitectue électomagnétique à eluctance vaiable excite pou accumulateu d énegie, Revue Intenationale de Génie Electique, Vol. 4, no. 3 4, 001, pp [17] N. Benad, H.B. Ahmed,, B. Multon Deign and modeling of a lotle and homopola axialfield ynchonou machine fo a flywheel accumulato, IEEE Tanaction on Induty Application, Volume 40, Iue 3, May-June 004 Page():

43 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie [18] I.J. Igleia, L. Gacia-Tabae, A. Agudo, I. Cuz, L. Aiba, Deign and imulation of a tandalone wind-dieel geneato with a flywheel enegy toage ytem to upply the equied active and eactive powe, IEEE 31 t Annual Confeence on Powe Electonic Specialit PESC, 18-3 June 000, Volume 3, Page(): [19] I.J. Igleia, L. Gacia-Tabae, M. Lafoz, J. Caleo, S. Potillo, I. Cuz, F. Toal, P. Abamiam, A Flywheel Switched Reluctance Moto Dive fo Winding Enegy Application, ICEM 00, Buge, Belgium, 5 8 Augut 00. [0] L.G.B. Rolim, A.C. Feeia, G.G. Sotelo, R. de Andade J., Flywheel Geneato with Switched Reluctance Machine, ICEM 00, Buge, Belgium, 5 8 Augut 00. [1] J.L. da Silva Neto, L.G.B. Rolim, G.G. Sotelo, Contol of powe cicuit inteface of a flywheelbaed enegy toage ytem, 003 IEEE Intenational Sympoium on Indutial Electonic - ISIE '03, 9-11 June 003, Volume, Page(): [] R. de Andade, A.C. Feeia, G.G. Sotelo, J.L. SilvaNeto, L.G.B. Rolim, W.I. Suemitu, M.F. Bea, R.M. Stephan, R. Nicolky, Voltage Sag Compenation Uing a Supeconducting Flywheel Enegy Stoage Sytem, IEEE Tanaction on Applied Supeconductivity, Volume 15, Iue, June 005 Page(): [3] T.S. Davie, N. Laen, A egeneative dive fo incopoating flywheel enegy toage into wind geneation ytem, Poceeding of the 4th Inteociety Enegy Conveion Engineeing Confeence - IECEC-89, 6-11 Aug. 1989, Page(): , vol.4. [4] U. Schaible, B. Szabado, A toque contolled high peed flywheel enegy toage ytem fo peak powe tanfe in electic vehicle, Confeence Recod of the 1994 IEEE Induty Application Society Annual Meeting, -6 Oct. 1994, Page(): , vol.1. [5] B. Szabado, U. Schaible, Peak powe bi-diectional tanfe fom high peed flywheel to electical egulated bu voltage ytem: a pactical popoal fo vehicula technology, IEEE Tanaction on Enegy Conveion, Volume 13, Iue 1, Mach 1998, Page(): [6] P.P. Acanley, B.C. Mecow, J.S. Bude, J.N. Fawcett, J.G. Kelly, P.G. Dickinon, Deign pinciple fo a flywheel enegy toe fo oad vehicle, Confeence Recod of the 1995 IEEE Induty Application Confeence, 8-1 Oct. 1995, Page(): , vol. 1. [7] P.P. Acanley, B.C. Mecow, J.S. Bude, J.N. Fawcett, J.G. Kelly, P.G. Dickinon, Deign pinciple fo a flywheel enegy toe fo oad vehicle, IEEE Tanaction on Induty Application, Volume 3, Iue 6, Nov.-Dec. 1996, Page(): [8] H. Weh, A. Steingove, H. May, C. Wede, Highly efficient inetial enegy toage, Sympoium on Powe electonic, Indutial Dive, Powe Quality, Taction Sytem SPEEDAM, 5 7 June 1996, Capi, Italy. [9] P.P. Acanley, B.C. Mecow, J.S. Bude, J.N. Fawcett, P.G. Dickinon, J.G. Kelly, An integated flywheel/machine enegy toe fo oad vehicle, IEE Colloquium on New Topologie fo Pemanent Magnet Machine (Diget No: 1997/090), 18 June [30] J.A. Kik, G.C. Walh, L.P. Homada, R.B. Zmood, G.E. Sullivan, The open coe compoite flywheel, Inteociety Enegy Conveion Engineeing Confeence, [31] F. Sahin, A.M. Tuckey, A.J.A. Vandenput, Deign, development and teting of a high-peed axial-flux pemanent-magnet machine, Confeence Recod of the 001 IEEE Induty Application Confeence, 30 Sept. 4 Oct. 001, Page(): , vol. 3. [3] F. Sahin, A.M. Tuckey, A.J.A. Vandenput, High-Speed Axial-Flux Pemanent-Magnet Machine, EPE 001, 7 9 Augut 001, Gaz, Autia. [33] H. Huiman, E.J.F.M. Smit, Powe cheduling of the Emafe high-peed flywheel uing coupled voltage ouce invete, EPE 001, 7 9 Augut 001, Gaz, Autia. 3

44 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie [34] J. Wang, Modelling and Contol of a Flywheel Poweed Ulta Light Rail Bu, EPE 001, 7 9 Augut 001, Gaz, Autia. [35] B.H. Kenny, P.E. Kacak, R. Janen, T. Deve, A flywheel enegy toage ytem demontation fo pace application, IEEE Intenational Electic Machine and Dive Confeence - IEMDC'03, Page(): , vol.. [36] W. Wenen, Z. Danhong, H. Hofmann, J. Noland, C.E. Baki, Deign of high-peed pemanent magnet machine with aniotopic electomagnetic and tuctual continuum fomulation, IEEE Intenational Electic Machine and Dive Confeence - IEMDC'03, 1 4 June 003, Page(): 37 43, vol. 1. [37] T.S. Davie, C.M. Jeffeon, Wind-powe flywheel integation, Poceeding of the 4th Inteociety Enegy Conveion Engineeing Confeence IECEC 89, 6 11 Aug. 1989, Page(): , vol.4. [38] I. Takahahi, Y. Itoh, I. Andoh, Development of a new uninteuptible powe upply uing flywheel enegy toage technique, Confeence Recod of the 1989 IEEE Induty Application Society Annual Meeting, 1-5 Oct. 1989, Page(): vol.1. [39] I. Takahahi, K. Amei, Y. Itoh, High pefomance and long life uninteuptible powe ouce uing a flywheel enegy toage unit, Confeence Recod of the 1990 IEEE Induty Application Society Annual Meeting, 7-1 Oct. 1990, Page(): , vol.. [40] J.A.M. Bleij, L.L. Fei, D.G. Infield, A.J. Ruddell, G.A. Smith, A Wind/dieel Sytem With Flywheel Enegy Buffe, Poceeding of Joint Intenational Powe Confeence Athen Powe Tech, Septembe 5-8, 1993, Page(): [41] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, "Bi-diectional powe contol fo flywheel enegy toage ytem with vecto-contolled induction machine dive", IEE confeence publication, pp , [4] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, A.J. Ruddell, Application of a powe-contolled flywheel dive fo wind powe conditioning in a wind/dieel powe ytem, Ninth Intenational Confeence on (Conf. Publ. No. 468) Electical Machine and Dive, 1-3 Sept. 1999, Page(): [43] H. Akagi, H. Sato, Contol and pefomance of a flywheel enegy toage ytem baed on a doubly-fed induction geneato-moto fo powe conditioning, 30th Annual IEEE Powe Electonic Specialit Confeence - PESC 99, 7 June-1 July 1999, Page(): 3 39, vol.1. [44] H. Akagi, H. Sato, Contol and pefomance of a doubly-fed induction machine intended fo a flywheel enegy toage ytem, IEEE Tanaction on Powe Electonic, Vol. 17, Iue 1, Jan. 00, Page(): [45] Seung-Yong Hahn, Woo-Seok Kim, Ji Hoon Kim, Chang-Seop Koh, Song-Yop Hahn, Low peed FES with induction moto and geneato, IEEE Tanaction on Applied Supeconductivity, Volume 1, Iue 1, Mach 00, Page(): [46] Zhang Jiancheng, Huang Lipei, Chen Zhiye, Wu Su, Reeach on flywheel enegy toage ytem fo powe quality, Poceeding of Intenational Confeence on Powe Sytem Technology - PoweCon 00, Volume 1, Oct. 00, Page(): [47] I. Alan, T.A. Lipo, Induction machine baed flywheel enegy toage ytem, IEEE Tanaction on Aeopace and Electonic Sytem, Volume 39, Iue 1, Jan. 003, Page(): [48] R.F. Thelen, J.D. Hebt, M.T. Capio, A MW flywheel fo hybid locomotive powe, IEEE 58th Vehicula Technology Confeence - VTC 003, Volume 5, 6-9 Oct. 003, Page():

45 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie [49] S. Samineni, B.K. Johnon, H.L. He, J.D. Law, Modeling and analyi of a flywheel enegy toage ytem fo voltage ag coection, IEEE Intenational Electic Machine and Dive Confeence IEMDC 03, Volume 3, 1-4 June 003, Page(): [50] J. C. Andea, Enegy-Efficient Electic Moto. Selection and Application, Second Edition, Macel Dekke Inc., New Yok, 199. [51] I. Boldea, S. A. Naa, Induction Machine Handbook, CRC Pe, Boca Raton, Floida, U.S.A., 00. [5] M. Ehani, K.M. Rahman, H.A. Tolyat, Populion Sytem Deign of Electic and Hybid Vehicle, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, Vol. 44, No. 1, Febuay [53] M. Poloujadoff, C. Rioux, M.M. Radulecu, On the flywheel deign fo enegy toage ytem, Poceeding of the 6 th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem, ELECTROMOTION 005, Lauanne, Suie, 7 9 eptembe

46 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Réumé Le modèle mathématique de deux type de SISE ont péenté dan ce chapite, aini que le méthode de contôle pou le machine électique utiliée. On conidèe le SISE avec machine aynchone (MAS) à cage et le SISE avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). Deux méthode de contôle ont pie en compte pou la MAS: le contôle vectoiel et le contôle diect en couple (DTC). Le deux méthode de contôle donnent de pefomance imilaie, mai le DTC exige moin de temp de calcul u le cate à micopoceeu. Pou la MSAP on utilie eulement le contôle vectoiel. Pou cette machine on étudie la commande à i d = 0 et la commande à facteu de puiance unitaie. Le chapite taite enuite le modèle de convetieu électonique de puiance utilié dan le SISE et finit pa la péentation du modèle du bu continu. Tou ce modèle ont néceaie pou pouvoi imule le fonctionnement du SISE ou Matlab/Simulink. 35

47 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.1. Intoduction u la modéliation de machine électique du SISE Le modèle de machine électique le plu utilié ont baé u la théoie unifiée de machine électique. Cette théoie et baée u la tanfomation de Pak, qui appote le équation électique tatoique et otoique à un ytème catéien d axe, dq [1] [5] Axe de epèe claique a a a θ F θ c b c b c b a) b) Fig. 3.1 Axe de epèe claique a) machine aynchone b) machine ynchone à aimant pemanent Dan le epèe claique il y a toi axe (a, b, c) oienté uivant le axe de toi enoulement tatoique de la machine. D habitude, l axe a et conidéé comme éféence pou le tanfomation ultéieue. Comme le tato de machine aynchone et ynchone ont paeil, le epèe tatoique pou le deux type de machine ont identique. Quant aux oto, on a toujou toi axe (a, b, c coepondant aux toi enoulement otoique) pou la machine aynchone (MAS), mai un eul axe (F coepondant à la diection de l aimantation) pou la machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). L angle θ donne la poition du oto pa appot au tato. 36

48 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Axe de epèe dq θ a d θ a d θ a θ F c q b c b c q b a) b) Fig. 3. Axe de epèe dq a) machine aynchone b) machine ynchone à aimant pemanent Le toi enoulement du tato peuvent ête emplacé pa deux enoulement fictif à π/ dan l epace et alimenté pa de couant à π/ dan le temp. Le deux enoulement vituel ont dipoé u le axe d et q. Dan le ca de la MAS (Fig. 3..a), le toi enoulement otoique peuvent aui ête emplacé pa deux enoulement fictif dipoé u le même epèe dq. Ayant toujou l axe a comme éféence, on définit le angle θ, θ et θ comme dan la figue 3..a. Dan le ca de la MSAP (Fig. 3..b), l axe d et oienté uivant le oto, c et-à-die uivant la diection de l aimantation. Pou pae du ytème tiphaé, abc, au ytème biphaé, dq, (et écipoquement) il faut utilie le tanfomation de Pak: x x x d q h = [ P] x x x a b c x x ; x = [ P] a b c 1 x x x où: x a, x b, x c ont le valeu intantanée de gandeu tiphaée; x d, x q ont le valeu intantanée de gandeu biphaée; x h et la compoante homopolaie; [P] et la matice diecte de Pak; [P] -1 et la matice invee de Pak. Le matice de Pak ont donnée enuite: d q h, (3.1) 37

49 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 38 [ ] = in 3 in in 3 4 co 3 co co 3 π θ π θ θ π θ π θ θ P, (3..a) [ ] = in 3 4 co 1 3 in 3 co 1 in co 3 1 π θ π θ π θ π θ θ θ P, (3..b) où θ et l angle ente l axe d et l axe de éféence dan le ytème tiphaé (a pou le gandeu tatoique et a pou le gandeu otoique). Le ytème dq ea utilié dan la commande vectoielle de machine électique. Dan le ytème dq, le gandeu électique ont de type continue, ce qui donne la poibilité de faie une commande imilaie à la commande de machine à couant continu Axe de epèe αβ Fig. 3.3 Axe de epèe αβ Si on poe θ = 0 dan le équation (3.), le matice de Pak deviennent le matice de Concodia: [ ] = C, (3.3.a) a b c α β θ c a b α β

50 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 39 [ ] = C. (3.3.b) Le tanfomation de Concodia ont utiliée pou faie le paage ente le ytème tiphaé, abc, et un ytème fictif, αβ. La figue 3.3 monte le deux ytème d axe et on voit que l axe α et upepoé u l axe a. En emplaçant (3.3) dan (3.1) on obtient le tanfomation de Concodia: [ ] = c b a h x x x C x x x β α ; [ ] = h c b a x x x C x x x β α 1. (3.4) Ce tanfomation eont utiliée dan le contôle diect en couple (DTC diect toque contol) de la MAS. Dan le ytème αβ, on a toujou de gandeu électique altenative, mai le équation de la MAS ont fotement implifiée. On a choii le coefficient 3 pou le matice Pak et Concodia afin de coneve la puiance pendant le paage ente le deux éféentiel. Aini, la puiance active ea: β β α α i v i v i v i v i v i v i v P q q d d c c b b a a + = + = + + =. 3.. Equation dynamique de la machine électique du SISE L équation dynamique fait la liaion ente la patie mécanique et la patie électomagnétique de la machine: em C B C dt d J Ω = Ω, (3.5) où: Ω vitee mécanique de la machine; J moment d inetie du SISE; B coefficient de fottement viqueux; C em couple électomagnétique; C couple de fottement ec. Dan le ca de SISE, il n y a pa de couple de chage pou la machine électique.

51 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.3. Modéliation mathématique de la machine aynchone (MAS) Equation électique de la MAS dan le epèe dq En aion de difficulté engendée pa le couplage ente tato et oto, le contôle de la machine aynchone impoe un changement de éféentiel [1] [5], où inteviennent deux angle (Fig. 3..a): pou le gandeu du tato un angle θ, a pioi abitaie; pou le gandeu otoique, un angle θ = θ θ. En poant et d θ dt ω =, d d ω = θ, Ω = θ m dt dt d d d d ω = θ θ = θ p θm, dt dt dt dt où p et le nombe de paie de pôle et θ m et la poition mécanique du oto, on obtient le équation de la machine aynchone dan le éféentiel dq : d dt d Φ = ω Φ R i + u ; (3.6.a) d q d d Φ q = ω Φ d dt R iq + uq ; (3.6.b) d Φ d = ω Φ q R id ; dt (3.6.c) d Φ q = ω Φ d R iq ; dt (3.6.d) C em ( i Φ i Φ ) M = p q d d q, (3.7) L où: R et R le éitance tatoique et otoique de la machine ; M l inductance mutuelle cyclique ente tato et oto ; L et L le inductance cyclique tatoique et otoique ; C em le couple électomagnétique ; Φ d, Φ q, Φ d et Φ q le flux tatoique et otoique ; ω la vitee du champ dan le epèe tatoique ; ω la vitee du champ dan le epèe otoique. Le elation ente le couant et le flux ont donnée ci-deou : Φ = L i + M i, (3.8.a) d q d q d Φ = L i + M i, (3.8.b) d d q Φ = L i + M i, (3.8.c) q q d Φ = L i + M i. (3.8.d) q 40

52 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE A pati d expeion (3.8.c) et (3.8.d), on déduit le expeion de couant otoique : i i d q M = 1 Φ d id, L L (3.9.a) M = 1 Φ q iq. L L (3.9.b) En intoduiant (3.9.a) et (3.9.b) dan (3.8.a) et (3.8.b), on obtient le compoante du flux tatoique: où M Φ d = σ L id + Φ d, L (3.10.a) M Φ q = σ L iq + Φ q, L (3.10.b) M σ = 1 L L, et le coefficient de dipeion. Enfin, en emplaçant dan (3.6) le compoante du flux tatoique et celle du couant otoique, on obtient le modèle mathématique de la machine aynchone, utilié pou la commande vectoielle à flux otoique oienté: d M d M σ L id = R id + ω σl iq Φ d + ω Φ q + vd dt L dt L (3.11.a) d M M d σ L iq = ω σl id R iq ω Φ d Φ q + vq dt L L dt (3.11.b) d R R M Φ d = Φ d + ω Φ q + id dt L L (3.11.c) d R R M Φ q = ω Φ d Φ q + iq dt L L (3.11.d) La poition du éféentiel et choiie afin d annule la compoante d axe q pou le flux otoique, c et-à-die Φ d = Φ et Φ q = 0. Aini, le équation (3.11) deviennent : v v di M dφ σ L i, (3.1.a) d d = R id + L + ω σ dt L dt q q = R iq + L + ω Φ + ω σl dt L Mi d q di M σ i, (3.1.b) L dφ = Φ +, (3.1.c) R dt MR i = ω, (3.1.d) q ω p Ω + = p Ω + L Φ et l expeion du couple électomagnétique ea : d 41

53 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 4 q em i L M p C Φ =. (3.13) On a opté pou le contôle vectoiel à flux otoique oienté pace que le équation ont plu imple pa appot au contôle à flux tatoique ou à flux d entefe oienté Equation électique de la MAS dan le epèe αβ Le équation de la machine aynchone dan le éféentiel αβ ont (Fig. 3.3): α α α u i R dt d + = Φ ; (3.14.a) β β β u i R dt d + = Φ ; (3.14.b) α β α ω i R dt d Φ = Φ ; (3.14.c) β α β ω i R dt d Φ = Φ ; (3.14.d) ( ) β α α β em i i p C Φ Φ =. (3.15) Le elation ente le couant et le flux ont donnée ci-deou : α α α i M i L + = Φ, (3.16.a) β β β i M i L + = Φ, (3.16.b) α α α i M i L + = Φ, (3.16.c) β β β i M i L + = Φ. (3.16.d) A pati d expeion (3.16.c) et (3.16.d), on déduit le expeion de couant otoique: α α α i L M L i Φ = 1, (3.17.a) β β β i L M L i Φ = 1. (3.17.b) En intoduiant (3.17.a) et (3.17.b) dan (3.16.a) et (3.16.b), on obtient le compoante du flux tatoique : L M i L Φ + = Φ α α σ, (3.19.a) β β β σ L M i L Φ + = Φ, (3.19.b) où

54 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 43 L L M 1 = σ, et le coefficient de dipeion. Enfin, en emplaçant dan (3.14) le compoante du flux tatoique et celle du couant otoique, on obtient le modèle mathématique de la MAS utilié pou le contôle diect de couple : α α α α σ v dt d L M i R i dt d L + Φ =, (3.0.a) β β β β σ v dt d L M i R i dt d L + Φ =, (3.0.b) α β α α ω i L M R L R dt d + Φ Φ = Φ, (3.0.c) β β α β ω i L M R L R dt d + Φ Φ = Φ. (3.0.d) ( ) β α α β em i i p C Φ Φ =. (3.1) 3.4. Commande vectoielle de la MAS Fig. 3.5 Commande vectoielle à flux otoique oienté de la machine aynchone

55 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE En égime pemanent de la MAS, à pati de équation (3.1), on déduit []: v v d q = R i ω σl i (3..a) d q M = ω σl id + R iq + ω Φ (3..b) L i i d q = 1 Φ M (3..c) L = ω Φ M R (3..d) Le expeion (3.) ont evi pou développe le chéma de contôle vectoiel à flux otoique oienté. Le elation uivante ont evi pou faie le chéma de contôle: v v d ef q ef * = R i ω σ L i (3.3.a) * d ef ef * q ef * * * * M = ω ef σ L id ef + R iq ef + ω ef Φ ef (3.3.b) L * 1 i d ef = * Φ ef (3.3.c) M * * * M R iq ef M iq ef ω ef = = (3.3.d) * * L Φ T Φ ef ef * M R iq ef ω ef = ω (3.3.e) Φ * p Ωef + ef = p Ωef + * L ef Dan le expeion (3.3), l atéique epéente un paamète etimé et l indice «ef» dénote une gandeu de éféence. A pati de ce expeion, on a développé le chéma Simulink péenté dan la figue 3.5, pou la machine aynchone. Ce chéma a été pévu pou une commande en vitee de la MAS. Le toi coecteu PI péent dan la figue 3.5 ont la même tuctue, comme on peut le voi dan la figue 3.6 pou le coecteu du couant i q. Il ont pévu avec de boucle «anti windup». Fig. 3.6 Coecteu PI de couant Dan le chéma de la figue 3.5, le flux de éféence et déteminé pa l intemédiaie du bloc «Réféence de flux», dan lequel et implémentée une loi de défluxage de la MAS; on ait que, pou obteni de vitee upéieue à la vitee de bae de la MAS, il faut éduie le flux. Pou de vitee inféieue à la vitee de bae, on impoe la valeu nominale du flux et pou de vitee upéieue il faut défluxe la MAS en fonction de a vitee. 44

56 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE La loi de défluxage a été déteminée en fonction de la puiance nominale de la MAS. Pou de vitee inféieue à la vitee de bae, la puiance de la MAS et limitée pa le couant nominal (ou pa le couple nominal). Pou de vitee upéieue à la vitee de bae, on ne peut pa chage la MAS au couple nominal pace que a puiance dépaeait la valeu nominale et la machine chauffeait. Il faut, donc, limite la puiance de la MAS à a valeu nominale. En négligeant le fottement et le pete dan la machine électique, on peut expime la puiance en fonction du couple électomagnétique de (3.13) et de la vitee: M P Cem Ω = p Φ iq Ω (3.4) L Donc, le flux de éféence peut ête calculé comme uit: Φ ef * P L 1 1 =, (3.5) * p M i Ω q max me où, i q max et le couant maximal d axe q, Ω me et la vitee meuée de la MAS et P et la puiance nominale de la MAS. Enuite, le flux de éféence et impoé pa: Φ n, pou Ω Ωb Φ ef ( Ω) =, (3.6) Φ ef 1, pou Ω > Ωb où : Ω b vitee de bae de la MAS ; L Φn Φn flux otoique nominal (en négligeant le fuite tatoique); M ef 3 Vn 3 30 Φ n = 3 Φ n = = = 1,7 [Wb] flux tatoique nominal. ω 314,16 b Le modèle mathématique de la MAS, baé u le elation (3.11), et la commande vectoielle à flux otoique oienté, baé u le elation (3.3), ont été implanté u le logiciel MATLAB/Simulink pou imule la MAS. Le pemie chéma de imulation et donné dan la figue 3.7 et le éultat de imulation ont donné dan la figue 3.8. Fig. 3.7 Schéma de imulation de la commande vectoielle à flux otoique oienté 45

57 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Fig. 3.8 Réultat de imulation pou la commande vectoielle de la MAS La figue 3.8 monte le compotement d une MAS à paie de pôle (3 kw à 1500 T/min). Au début, la MAS ne toune pa et eulement le flux et maintenu à la valeu nominale. Apè une econde, un échelon de vitee de 350 ad/ et donné comme éféence pou la vitee de la MAS. La MAS démae au flux nominal, mai dè que la vitee dépae 157 ad/, on commence le défluxage; cela e voit u le allue du couple et du couant. Gâce au défluxage, la puiance de la MAS et limitée à la valeu nominale. La machine ne ubit aucun couple de chage, mai elle entaîne un volant d inetie dont J = 0, kg m. Ce pemie éultat de imulation ont pemi de valide le modèle implanté dan Simulink. 46

58 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.5. Contôle diect en couple de la MAS Le contôle diect de couple (DTC) et baé û la commande de flux et de couple en utiliant de égulateu à hytééi [1]. Le flux tatoique et etimé à pati de l équation de tenion tatoique de la MAS: d Φ dt = V R I, (3.7) où: R éitance tatoique; I couant tatoique; V tenion tatoique d alimentation. Dan le éféentiel αβ, le compoante du flux tatoique, Φ α et Φ β, ont déteminé comme uit: * Φ α = ( R i α me + v α ) dt, (3.8.a) * Φ β = ( R iβ me + v β ) dt, (3.8.b) où l atéique dénote le paamète etimé et l indice «me» indique le gandeu meuée. Le couant et le tenion dan le ytème αβ ont déteminé à pati de gandeu tiphaée en utiliant la tanfomation de Concodia. Etant tè difficile de meue le tenion aux bone tiphaée d un onduleu de tenion, le tenion d alimentation ont etimée en fonction de la tenion du bu continu et de état de commutation de ba de l onduleu. Donc, le tenion de phae de la MAS ont déteminée comme uit: v v a V dc = ( S a S b S c ), (3.9.a) 3 V 3 ( S S ) dc b = a + b S c, (3.9.b) V dc v c ( S a S b + 3 S c ) =. (3.9.c) où: V dc tenion de bu continu; S a, S b, S c état de commutation de ba d onduleu. Le état de ba de l onduleu ont donné pa le goupe (S a S b S c ). Chacune de toi vaiable peut pende deux valeu: 1 ou 0. Pa exemple, pou le ba a : Si le tanito upéieu et en conduction, la vaiable S a = 1, Si le tanito inféieu et en conduction, la vaiable S a = 0. 47

59 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Un onduleu tiphaé peut poduie huit combinaion difféente comme uit: V 0 (0 0 0), V 1 (1 0 0), V (1 1 0), V 3 (0 1 0), V 4 (0 1 1), V 5 (0 0 1), V 6 (1 0 1), V 7 (1 1 1). Le huit combinaion engendent huit vecteu de tenion qui peuvent ête appliqué aux bone de la MAS. Il y a ix vecteu actif et deux vecteu nul. Le poition patiale (dan le plan αβ) de vecteu actif de tenion ont montée dan la figue 3.9. β V3 V Φ V 4 Φ Secto 1 V 1 α V 5 V 6 Fig. 3.9 Poition patiale de vecteu de tenion et vaiation poible du flux dan le pemie ecteu La magnitude du flux tatoique peut ête calculée à pati de elation (3.8): Φ = Φ + Φ. (3.30) α β Le couple électomagnétique de la MAS et etimé pa la elation: C em ( i Φ i Φ ) = p. (3.31) β me α α me β Le vecteu actif de tenion déteminent ix ecteu dan le plan αβ (Fig. 3.9). Pou faie le DTC, il et néceaie de connaîte à chaque intant de commutation le ecteu où e touve le vecteu du flux tatoique. Le compoante Φ α, Φ β et la magnitude Φ du flux tatoique ont utiliée pou détemine le ecteu, comme il et monté dan le Tableau 3.1. Tableau 3.1 Détemination de ecteu en fonction de compoante du flux tatoique Secteu Condition u Φ Condition u α β 1 Φ α > 0 3 Φ < Φ α > 0 3 Φ α < 0 3 Φ β > 3 Φ β > 4 Φ α < 0 3 Φ < 5 Φ α < 0 Φ 3 Φ β < Φ Φ 3 Φ β < 3 Φ β < Φ Φ Φ 6 Φ α > 0 3 Φ β < Φ 48

60 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE L implantation phyique du DTC e fait avec de ytème dicèt (micocontôleu, cate à DSP, etc.) ayant une péiode d échantillonnage T e. A de vitee élevée de la MAS, le teme R I de la elation (3.7) peut ête négligée pa appot aux aute deux teme. Cela et bien valable pou l application du SISE, où la MAS fonctionne toujou au-deu de la vitee de bae. Donc, la elation (3.7) peut ête changée comme uit: Φ = V Te. (3.3) La elation (3.3) monte que l eeu de flux et diectement popotionnelle au vecteu de tenion appliqué aux bone de la MAS. A chaque intant il y a quate vecteu actif de tenion et le deux vecteu nul qui pemettent d agi u le couple électomagnétique et u le flux tatoique de la MAS. Le vecteu du ecteu où e touve le flux et le vecteu oppoé ne ont pa pi en compte. Pa exemple, i le flux e touve dan le pemie ecteu (Fig. 3.9), on peut e evi de vecteu V, V 3, V 5 et V 6. Donc, comme on voit u la figue, l eeu de flux peut pende quate diection poible. Le vecteu V et V 6 povoquent l augmentation de la magnitude du flux tatoique et le vecteu V 3 et V 5 en povoquent la diminution. Si la MAS fonctionne en moteu tounant dan le en tigonométique, V et V 3 povoquent l augmentation du couple électomagnétique tandi que V 5 et V 6 amènent à la diminution du couple. Si l eeu de flux Φ et pojetée u la diection du flux tatoique et u une diection pependiculaie, le compoante agiant u le couple et u le flux ont mie en évidence. La figue 3.10 monte que le deux compoante de l eeu de flux ( Φ c et Φ f ) changent en fonction de la poition du flux et du vecteu de tenion appliqué. Cela engende de vaiation u la de commutation de tanito de l onduleu. β β V V Φ Φ c Φ c Φ Φ Φ f α α Φ Φ f Fig Compoante de l eeu de flux lo de l application du vecteu de tenion V et pou deux poition du flux tatoique Dan la figue 3.10, la compoante Φ c donne le couple électomagnétique de la MAS en temp que la compoante Φ f modifie la magnitude du flux tatoique. Le but du DTC et de mainteni le couple et le flux de la MAS à l intéieu de deux bande d hytééi. Pou cela, le vecteu de tenion ont électionné et appliqué aux bone de la MAS en fonction de otie de deux compaateu à hytééi (un pou le flux et un pou le couple). Un exemple de équence de vecteu de tenion et donné dan la figue Cette figue donne aui une infomation u 49

61 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE la vaiation de la féquence de commutation de l onduleu. On voit que le commutation ont plu dene loque la poition du vecteu de flux appoche une de poition de vecteu de tenion. Cela et un ca tè imple uppoant que le couple ete toujou à a valeu de éféence et eulement l eeu de flux engende la commutation de vecteu de tenion. En éalité, la tajectoie du flux et beaucoup plu compliquée. V 4 V 4 V 5 V 3 V 4 V 5 V3 V V 3 V 6 V 5 V 4 Φ V 1 V V 3 V 6 V 5 V 6 V V 1 V 6 V 1 V V 1 Fig Exemple de équence de vecteu de tenion maintenant le flux à l intéieu de la bande d hytééi c T c Ψ C Φ -1 B T -1 B + T B Ψ B Ψ a) b) Fig. 3.1 Compaateu à hytééi a) compaateu pou le couple b) compaateu pou le flux Le pincipe de fonctionnement de égulateu à hytééi et donné dan la figue 3.1. Le égulateu eçoivent en entée le eeu de couple, C, et de flux, Φ, et donnent en otie de ignaux dicet. Le ignal de otie du compaateu de couple, c T, peut pende toi valeu (1, 0 ou -1) elon le ca uivant: i l eeu de couple et poitive, il faut augmente le couple et c T = 1, i l eeu de couple et négative, il faut affaibli le couple et c T = -1, i l eeu de couple e touve à l intéieu de la bande d hytééi, alo c T = 0. 50

62 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Le ignal de otie du compaateu de flux, c Ψ, peut pende deux valeu (1 ou -1) elon le ca uivant: i l eeu de flux et poitive, il faut augmente le flux et c Ψ = 1, i l eeu de flux et négative, il faut affaibli le flux et c Ψ = -1. Tableau 3. Choix de vecteu de tenion en fonction de eeu du flux et du couple Secteu c Ψ, c T +1 V V 3 V 4 V 5 V 6 V V 7 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0-1 V 6 V 1 V V 3 V 4 V 5 +1 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 V -1 0 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0 V 7-1 V 5 V 6 V 1 V V 3 V 4 En fonction de otie de égulateu à hytééi et du ecteu où e touve le flux tatoique, le vecteu de tenion ont choii afin de mainteni le flux et le couple à l intéieu de bande d hytééi. Le Tableau 3. donne toute le élection poible. Le modèle mathématique de la MAS, baé u le elation (3.0), et le DTC, ont été implanté u le logiciel MATLAB/Simulink pou imule la MAS et le DTC. Le pemie chéma de imulation et donné dan la figue 3.13 et le éultat de imulation ont donné dan la figue Fig Schéma du DTC implanté dan Simulink 51

63 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Fig Réultat de imulation pou la MAS et le DTC La figue 3.14 monte le compotement d une MAS à paie de pôle (3 kw à 1500 T/min). Au début, la MAS ne toune pa et le flux et maintenu à la valeu nominale. Apè une econde, un échelon de couple et donné comme éféence pou la MAS. Ce couple et calculé en diviant la puiance nominale de la MAS pa a vitee. Au-deou de la vitee de bae, le couple et atué à 0 Nm. La MAS démae au flux nominal, mai dè que la vitee dépae 157 ad/ on commence le défluxage; cela e voit u le allue du couple et du couant. Gâce au défluxage, la puiance de la MAS et limitée à la valeu nominale. La vitee de la MAS et limitée à 350 ad/. La machine ne ubit aucun couple de chage, mai elle entaîne un volant d inetie dont J = 0, kg m. Ce pemie éultat de imulation ont pemi de valide le modèle implanté dan Simulink pou la MAS avec le DTC. 5

64 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.6. Modéliation mathématique de la machine ynchone à aimant pemanent (MSAP) Equation mathématique de la MSAP Le équation électique de la MSAP ont écite dan le ytème dq oienté elon le oto (Fig. 3..b) : did vd = R id + Ld Lq ω iq, dt (3.33.a) diq vq = R iq + Lq + Ld ω id + Ψmd ω, dt (3.33.b) C em ( L L ) i i + Ψ i ) = p, (3.34) d q q d md où: i d, i q le couant tatoique; v d, v q le tenion tatoique; R éitance tatoique; L d, L q inductance du tato; Ψ md flux de l aimant pemanent, déteminé comme dan l annexe A.4; p nombe de paie de pôle de la machine; d d ω = θ = p θm vitee angulaie (pulation) électique du oto; dt dt θ m poition mécanique du oto; C em couple électomagnétique. q Fonctionnement de la MSAP au facteu de puiance unitaie La machine ynchone à aimant pemanent (MSAP), peut ête utiliée comme moteu électique et comme généateu électique. Pou pouvoi analye le deux mode de fonctionnement de la MSAP, il faut contuie le diagamme vectoiel de tenion pou le deux ca (Fig et 3.16). q E v q β i d v d ψ m d φ I i q V δ ω V φ I δ β q E v q i q ω v d i d ψ m d Fig Diagamme vectoiel de tenion Fig Diagamme vectoiel de tenion en égime de généateu (co φ < 0 et δ < 0) en égime de moteu (co φ > 0 et δ > 0) 53

65 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Pou contuie ce diagamme vectoiel, le convention uivante ont été choiie : Le puiance ont poitive pou le fonctionnement en moteu et négative pou le égime généateu. La puiance active et expimée pa la fomule bien connue : P = V eff I coϕ, où V eff 3 eff et I eff ont la tenion, epectivement le couant, efficace meué aux bone de la machine et φ, le déphaage ente le deux gandeu. Pou gade la convention de igne, on conidèe que le facteu de puiance, coφ, et poitif en égime moteu et négatif en généateu. Une de gandeu le plu impotante qui intevient dan l analye de machine ynchone et l angle de chage δ, défini comme l angle ente la tenion induite dan le enoulement pa l inducteu (l enoulement otoique ou le aimant du oto) et la tenion aux bone de la machine. Cet angle et conidéé poitif pou le fonctionnement en moteu et négatif en égime de généateu. Le gandeu vectoielle ont liée aux gandeu efficace pa un coefficient égal à 3 : I = i + i = 3 I d d q q eff V = v + v = 3 V E eff - couant tatoique, eff - tenion tatoique, (3.35) E = 3 - tenion induite dan une phae tatoique, Ψ m = 3 Ψ m eff - flux magnétique inducteu. Le couant i d et i q de la MSAP peuvent expime pa : i d = I in β et i q = I co β. (3.36) En conidéant l axe q comme oigine pou le angle β et δ, la MSAP fonctionne à facteu de puiance unitaie (coφ = ±1) i β = δ, pou le égime de moteu, β = π + δ, pou le égime de généateu. En tenant compte de ce conidéation, il faut calcule la valeu de β et, avec cette valeu (qui et difféente pou le deux égime de fonctionnement), on peut détemine le valeu de éféence pou le couant i d et i q - pa le elation (3.36) -, afin d obteni un fonctionnement à facteu de puiance unitaie de la MSAP. Enuite, ont péenté le calcul fait pou touve la valeu de l angle β. 54

66 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Généateu Moteu On pat de équation de tenion : v v d q = R + L ωl d d ωlq id 0 + R + L i ωψ q q md v v d q = R + L ωl d d ωlq id 0 + R + L i ωψ q q md, (3.37) En emplaçant (3.36) en (3.37), on obtient: v v d q = R + L ωl d d ωl q R + L q I in β 0 + I coβ ωψ md, v v d q = R + L ωl d d ωlq I in β 0 + R + L I coβ ωψ q md. (3.38) La tangente de l angle δ peut expime pa vd tgδ =, donc : v q RI in β ωlqi co β tgδ = R I co β ωl I in β + ωψ d et, en négligeant la éitance tatoique, md, RI in β + ωlqi co β tgδ = R I co β ωl I in β + ωψ d md, (3.39) ωlqi co β tgδ = ωl I in β + ωψ d md, ωlqi co β tgδ = ωl I in β + ωψ d md. (3.40) Si la machine fonctionne à coφ = 1, in( β π ) ωlqi co β = co( β π ) ωl I in β + ωψ d md, in β ωlqi co β = co β ωl I in β + ωψ d md. (3.41) On emplace L I d i = et Ψ m L = L q ρ dan (3.41) : d in( β π ) ρi co β =, co( β π ) 1 i in β En conidèe: in(β - π) = -in(β) = x, in β ρi co β =. (3.4) co β 1 i in β in β = x, et on obtient le équation i(1 + ρ Ψ ) x + x ρψ i = 0, md md i(1 ρ Ψ ) x + x ρψ i = 0, (3.43) md md dont le olution ont : + 4ρi ( 1+ ρ) i( 1+ ρ) 1± 1 x =, 4ρi ( 1 ρ) ( 1 ρ) 1± 1 x =. (3.44) i 55

67 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Pa la tanfomation invee, on obtient : 1 in( β π ) = ou 1+ 4ρi ( 1+ ρ) i( 1+ ρ) Ld LqI Lq Ψmd Ld in( β π ) =, Ld I Lq 1 + Ψmd Ld, 1 in β = 1 i 4ρi ( 1 ρ ) ( 1 ρ ), (3.45) Ld LqI Lq Ψmd Ld in β =. (3.46) Ld I Lq 1 Ψmd Ld A pati de elation (3.36) et (3.46), le conigne de couant i d et i q peuvent ête calculée afin d obteni un fonctionnement à facteu de puiance unitaie de la MSAP. Pou le MSAP dont la aillance et uffiamment élevée, telle que L q > L d, le fonctionnement à facteu de puiance unitaie et magnétiant u une lage plage de couant. Dan la meue où la aillance n et pa top affectée pa la atuation, ce machine ont uceptible de founi, à coφ = 1, un couple upéieu au couple nominal [6]. 56

68 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.7. Commande vectoielle de la MSAP En égime pemanent, à pati de (3.33), on peut écie : v v d q = R i L ω i, (3.47.a) d q q d q = R i + L ω i + Ψ ω, (3.47.b) d md dont on déduit le expeion utiliée pou la commande vectoielle de la MSAP : v v d ef q ef = R = R * * i i d ef q ef L + L * q * d ω ω ef ef i i q ef d ef + Ψ * md ω ef. (3.48) Fig Commande vectoielle à flux otoique oienté de la MSAP Dan le équation (3.48), l atéique epéente un paamète etimé et l indice «ef» une gandeu de éféence. A pati de ce elation, on a éalié en Simulink le chéma de contôle vectoiel de la MSAP (Fig. 3.17). La éféence pou le couant i d peut ête maintenue à zéo ou on peut implante un chéma de défluxage pou augmente la vitee au-deu de la vitee de bae. De plu, on peut implante un chéma de contôle pou le couant i d afin de contôle le facteu de puiance de la MSAP. La éféence pou le couant i q et déteminée pa l intemédiaie d un coecteu PI de vitee. Le modèle mathématique de la MSAP à commande vectoielle a été implanté ou Simulink et le pemie éultat de imulation ont donné dan la figue

69 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Fig Réultat de imulation pou la commande vectoielle de la MSAP La figue 3.18 monte le compotement d une MSAP à 3 paie de pôle (,83 kw à 3000 T/min). Au début, la MSAP ne toune pa. Apè une econde, un échelon de vitee de 314 ad/ et donné comme éféence pou la vitee de la MSAP et celle-ci accélèe afin d atteinde la conigne de vitee établie. La MSAP fonctionne toujou à flux nominal contant. La machine ne ubit aucun couple de chage, mai elle entaîne un volant d inetie dont J = 0, kg m. Ce pemie éultat de imulation ont pemi de valide le modèle implanté dan Simulink. 58

70 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.8. Modéliation mathématique du convetieu électonique de puiance Onduleu de tenion avec onde poteue c V dc V dc O C v ao N v a a V dc C ME b Fig Onduleu de tenion alimentant une machine électique (ME) V dc / -V dc / Fig. 3.0 Pincipe de la commande MLI et enveloppe de tenion 59

71 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Le machine électique ont alimentée pa l intemédiaie de convetieu électonique de puiance (Fig. 3.19). L onduleu de tenion avec onde poteue et utilié pou la commande vectoielle de machine électique. Le convetieu et commandé en tenion. Le bloc de commande du convetieu eçoit le tenion de éféence pou le toi phae. Ce tenion ont compaée avec un ignal tiangulaie et, en fonction du ignal d eeu, on commande le emiconducteu de l onduleu. Le mode de fonctionnement et tè imple : i V ef > V p le tanito upéieu du ba de pont conduit, i V ef < V p le tanito inféieu du ba de pont conduit, où V ef epéente une de toi tenion de éféence et V p epéente le ignal tiangulaie ou l onde poteue. Ce type de commande et appelé commande pa modulation de lageu d impulion ou commande MLI (PWM en anglai). Dan la Fig. 3.0 il et monté le pincipe de la commande MLI et quelque enveloppe de tenion. Su cette figue, V h et la tenion homopolaie qui peut expime pa 1 v h = vno = ao bo + 3 ( v + v v ) co. (3.49) La commande MLI péente l avantage d une féquence contante de commutation, qui et fixée pa la féquence de l onde poteue. Le chéma Simulink pou ce type d onduleu et péenté dan la Fig Fig. 3.1 Onduleu de tenion avec onde poteue Le machine électique et le éeau électique ont de ytème continu, mai le convetieu électonique et un ytème dicet. Comme on le voit dan la figue 3.1, le chéma Simulink du convetieu et aez compliqué et il avèe goumand en temp de calcul, utout à caue de elai. Pou implifie le chéma de imulation, le convetieu électonique de puiance peut ête éduit à un gain popotionnel comme on le montea dan la uite de ce chapite [7]. 1 v ef 0-1 v p t Fig. 3. Explication pou l obtention du modèle continu équivalent du convetieu 60

72 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Dan la Fig. 3. on voit que l amplitude de v p et unitaie. L amplitude de l onde de éféence v ef (ou l onde modulatice) peut pende de valeu compie ente [0, 1]. Sachant que le tenion polaie de l onduleu peuvent pende eulement deux valeu qui ont difféente de zéo (±V dc /) et en uppoant que la féquence de l onde poteue et infinie, on peut écie la elation uivante ente le compoante utile de tenion polaie et le ignaux de éféence [7]: v v v ao bo co V = dc v v v a ef b ef c ef. (3.50) Le convetieu d aujoud hui peuvent fonctionne à de féquence de commutation de quelque khz, beaucoup plu gande que le féquence de ignaux de éféence. On peut donc conidée que la elation (3.50) et vaie aui pou un convetieu éel [8] et [9]. En appliquant la tanfomation diecte de Pak à la elation (3.50), on obtient : v v d q Vdc = v v d ef q ef. (3.51) Pou détemine l évolution de la tenion V dc du bu continu, il et néceaie de détemine le couant ciculant dan le condenateu du bu continu (Fig. 3.19). Ce couant dépend de couant intoduit dan le bu continu pa chaque convetieu. Ce couant peuvent ête déteminé à pati du bilan de puiance aux deux extémité du convetieu. Pou le convetieu de la Fig. 3.19, on peut écie : V dc i dc = v a i a + v b i b + v c i c V = dc ( v i + v i + v i ) a ef a b ef b c ef c, (3.5) ou V dc i dc = v d i d + v q i q V = dc ( v id + v iq ) d ef q ef. (3.53) A pati de (3.53), on déduit facilement : i dc = 1 ( v id + v iq ) d ef q ef. (3.54) 61

73 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Onduleu utilié pou la DTC Dan le ca de la DTC, l onduleu de tenion et modélié pa le elation (3.9) et on chéma Simulink et donné dan la figue 3.3. Fig. 3.3 Schéma Simulink de l onduleu de tenion utilié en ca du DTC 6

74 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 3.9. Modéliation mathématique du bu continu Fig. 3.4 Stockage inetiel aocié à un généateu éolien Comme le tite de cette thèe de doctoat le pécie, l objet de l étude compote un ytème inetiel de tockage d énegie aocié à un généateu éolien. Le couplage de deux ytème et fait pa l intemédiaie d un bu continu, comme le monte la figue 3.4. Il et donc néceaie d avoi le modèle mathématique de ce cicuit. Dan la figue 3.5 et péenté en détail le bu à couant continu et on peut voi qu il et epéenté pa le condenateu C où ont connecté tou le bu continu de convetieu électonique de puiance. Chaque convetieu exece on influence u le cicuit, pa le couant qu il donne ou qu il pend au condenateu. i 1 i i 3 Conv. 1 V dc Conv. 3 C i C Conv. Fig. 3.5 Modèle du bu à couant continu Le en de couant de la Fig ont été conidéé pou le ca où eulement le généateu éolien founit de l énegie dan le bu à couant continu. C et-à-die que la chage n a pa beoin de toute l énegie founie pa l éolienne et c et le SISE qui pend le uplu d énegie poduite. Le couant dan le bu à couant continu agient diectement u la valeu de la tenion du bu continu, V dc. A pati de la figue 3.5, on peut écie l équation uivante : i C = i. (3.55) 1 i i3 63

75 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE La tenion V dc et une fonction du couant i C : i C dvdc = C, (3.56) dt t t V dc = Vdc0 + ic dt, (3.57) C 1 1 t1 avec C la capacité du condenateu. A pati de ce équation, on a éalié le chéma de la figue 3.6, où et modélié le bu continu. Fig. 3.6 Le model Simulink du bu continu La tenion V dc ea une gandeu tè impotante lo du contôle du SISE puique, en effet, tou le convetieu électonique de puiance agient u elle, pa le couant de bu continu. Pou explique cela, on conidéea que le SISE n et pa couplé avec le généateu. Dan ce ca, la valeu de la tenion V dc et fonction de couant i 1 et i (Fig. 3.5). Si le généateu founit plu d énegie, la valeu de la tenion V dc augmentea pace que la difféence d énegie et accumulée dan le condenateu. Pa conte, i le généateu ne peut pa founi l énegie demandée pa la chage, celle-ci penda au condenateu le ete d énegie demandée. La valeu de la tenion V dc decenda. Poutant, note but et de mainteni la valeu de tenion V dc à une valeu de éféence contante et c et le SISE qui doit agi pou cela. C et-à-die, le SISE tocke l énegie électique loqu elle et excédentaie et en etitue dan le ca invee. 64

76 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE Concluion Dan ce chapite, le modèle mathématique de ytème étudié ont péenté. On commence avec le modèle de machine électique (la machine aynchone à cage et la machine ynchone à aimant pemanent), en continue avec le modèle du convetieu électonique de puiance (le modèle dicet et le modèle continu équivalent) et on finit pa le modèle du bu continu. Ce chapite péente aui le pincipe de contôle de machine électique. Pou la machine aynchone on enviage deux type de contôle (le contôle vectoiel et le contôle diect en couple - DTC) et pou la machine ynchone à aimant pemanent on conidèe eulement le contôle vectoiel. Pou la machine ynchone à aimant pemanent, on péente aui le pincipe du contôle à facteu de puiance unitaie. De éultat de imulation ont péenté pou valide le modèle mathématique utilié pou le compoante du SISE Réféence [1] G. Gellet, G. Clec, Actionneu électique, Edition Eyolle, Pai, Fance, [] B. Robyn, Synthèe de commande obute pou machine aynchone baée u une théoie caactéiant la enibilité paamétique, Rappot de ynthèe, Univeité de Science et Technologie de Lille, Fance, 31 Ma 000. [3] J. P. Caon, J. P. Hautie, Modéliation et commande de la machine aynchone, Edition Technip, Pai, [4] A. Kelemen, M. Imec, Siteme de eglae cu oientae după câmp ale maşinilo de cuent altenativ, Editua Academiei R.S.R., Bucueşti, [5] I. Boldea, S. A. Naa, Induction Machine Handbook, CRC Pe, Boca Raton, Floida, U.S.A., 00. [6] M. Lajoie-Mazenc, Ph. Viaouge, Alimentation de machine ynchone, Technique de l ingénieu, taite Génie électique, D [7] B. Robyn, M. Nae, F. Betheeau, F. Labique, Equivalent continuou dynamic model of a vaiable peed wind geneato, Poceeding of the 4 th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem, ELECTROMOTION 001, Bologna, Italia, 19 0 Iunie 001. [8] F. Labique, H. Buye, G. Séguie, R. Bauièe, Le convetieu de l électonique de puiance, Commande et compotement dynamique, Tome 5, Technique et Documentation Lavoiie, [9] J.P. Hautie, J.P. Caon, Convetieu tatique, méthodologie cauale de modéliation et de commande, Edition Technip,

77 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE 66

78 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Réumé Afin de détemine le pefomance énegétique du SISE, il faut modélie le pete intevenant dan ce ytème. C et l objet de ce chapite. Le pete d énegie dan le SISE ont patagée en deux: pete dan le convetieu électonique de puiance et pete dan le ytème machine électique + volant d inetie. Le calcul analytique monte que le pete dan le convetieu électonique de puiance ont influencée pa le facteu de puiance de la machine électique. Si la machine fonctionne à un faible facteu de puiance, le endement du convetieu et dégadé. Enuite, en péente le calcul de pete d énegie dan la MAS et dan la MSAP du SISE. Le chapite finit avec l etimation de endement du SISE avec MAS et du SISE avec MSAP. Le éultat de imulation évèlent un meilleu endement énegétique du SISE avec MSAP et le deux SISE ont de endement compaable aux ceux de batteie électochimique. 67

79 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.1. Intoduction Un chapite tè impotant dan l étude de ytème électomécanique et contitué pa l analye de pete du ytème et de on endement énegétique. Dan le ca péent, le pete ont concentée dan le deux ou-ytème pincipaux du SISE : convetieu électonique de puiance et ytème électomécanique (machine électique + volant d inetie). Dan la uite de ce chapite, une étude analytique de pete d énegie et de endement dan le SISE et détaillée. 4.. Pete et endement du convetieu électonique de puiance Un de poblème le plu impotant de emiconducteu fonctionnant en égime de commutation et le poblème themique. A l état paant le emiconducteu voit une difféence de potentiel à e bone loqu il et taveé pa un couant, ce qui implique de pete en conduction. Il y a aui de pete en commutation, qui dépendent de l énegie diipée pendant le changement d état de emiconducteu et qui ont popotionnelle à la féquence de commutation. Quelle que oit le pete, la puiance diipée expime pa : 1 P = T T 0 V CE ( t) i( t) dt, (4.1) où T et la péiode de ignal, V CE et la tenion collecteu émetteu d IGBT, et i et le couant ciculant dan le tanito. Dan la uite de ce chapite et péenté une méthode de calcul de pete dan le convetieu électonique de puiance Pete en commutation Pou un ba d onduleu (Fig. 4.1), le pete pa commutation ont expimée pa la elation uivante : p com ( kwon Won i) + kwoff Woff ( i ) f pwm = ( ) (4.) avec : W on (i) et W off (i) caactéitique de énegie diipée à la femetue et à l ouvetue de tanito; k Won et k Woff le appot ente la tenion continue utiliée et le tenion continue de eai, utiliée pa le contucteu pou détemine l énegie diipée. Dan le ca péent même tenion E W = 600 V. V k = dc Won = kwoff, pace que le caactéitique W on (i) et W off (i) ont donnée pou la EW Le pete en commutation totale obtiennent en multipliant pa toi la elation (4.). 68

80 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE i dc T 1 D 1 V dc i T D v Fig. 4.1 Stuctue d un ba d onduleu 4... Pete en conduction Pou le calcul de pete du convetieu électonique de puiance, on a utilié deux méthode : une popoée pa P. Batiani [1] et l aute popoée pa C. Riva []. Pou la pemièe méthode, il y a deux ca, en fonction du en du couant dan le ba de l onduleu : le couant et poitif (Fig. 4.1), ce qui implique le fonctionnement du tanito upéieu et de la diode inféieue. Dan ce ca le pete ont expimée pa le deux elation uivante : p p IGBT + D+ = ρ Vce ( i) i ; (4.3.a) = (1 ρ) V ( i) i D le couant et négatif, ce qui implique le fonctionnement du tanito inféieu et de la diode upéieue. Dan ce ca le pete ont expimée pa le deux elation uivante : p p IGBT D = (1 ρ) V = ρ V D ( i) i ce ( i) i (4.3.b) avec : ρ appot cyclique défini pa la MLI ; V ce (i) caactéitique de la tenion collecteu-émetteu de l IGBT à l état paant; V D (i) caactéitique de la tenion cathode-anode de la diode à l état paant ; i couant dan le ba de l onduleu. Le appot cyclique et calculé pa la elation uivante : π 1+ in ωt ( i 1) 3 ρ = i, (4.4) avec : ρ i appot cyclique de ba i, avec i = 1,, 3 ; coefficient de églage on tenion ; ω pulation de l onde de éféence. 69

81 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE La elation (4.4) et vaie pou une féquence MLI infinie, mai on peut aui la conidée coecte pou le féquence MLI uuelle pou le convetieu à tanito IGBT, qui ont tè gande pa appot à la féquence de éféence. Dan ce ca, la compoante utile de la tenion de otie de l onduleu et quaiment égale à la tenion de éféence [3]. Le pete totale dan l onduleu ont donnée pa la omme de pete dan le toi ba. On montea dan la uite que le pete en conduction ont bien influencée pa le facteu de puiance coφ. Toutefoi, cette vaiable n appaaît pa dan le expeion (4.3) et (4.4). C et pouquoi cette méthode de calcul de pete peut ête appliquée eulement i on a une chage éitive à la otie de convetieu. Pa conte, dan note ca, la chage connectée à la otie du convetieu et une machine électique, qui et une chage paticulièement inductive. On voit donc la néceité de pende en compte l influence de facteu de puiance u le pete. La figue 4. monte l enveloppe de couant à la otie de l onduleu (donc, le couant dan une phae de la machine), pou la demi-péiode poitive. Su cette figue ont montée le péiode de conduction du tanito, T IGBT, et de la diode, T D, pendant une péiode MLI, T pwm. couant éel T IGBT T D I k couant idéel T pwm 0 θ ω t Fig. 4. L enveloppe de couant pou la demi-péiode poitive P ρ = 0.5 ρ = 1 ρ = 0.5 ρ = 0 ρ = 0.5 u, i u i φ θ = 0 π θ = π Fig. 4.3 Le enveloppe de tenion, u, couant, i, et puiance, P, à la otie d un ba d onduleu 70

82 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Si la féquence MLI et gande, on peut conidée que, pou une péiode électique, le appot cyclique d un ba et donné pa la fomule : ( θ + ) 1 in ϕ T = + = = T f IGBT ρ IGBT pwm, (4.5) Tpwm avec f pwm la féquence MLI, le coefficient de églage de la tenion et φ le déphaage ente tenion et couant. Le difféente valeu de ρ ont donnée à la figue 4.3. On peut voi que le elation (4.4) et (4.5) e eemblent, mai la pemièe ne end pa compte du déphaage ente tenion et couant. Comme le imulation ont monté, le déphaage ente tenion et couant influence bien la valeu de pete, pou la même puiance abobée pa la machine (Fig. 4.4). Le péiode de conduction, u une péiode MLI, de tanito IGBT et de diode ont : T IGBT = ρ f pwm ( θ ϕ ) 1 1 in( θ ) 1 in + + ϕ = + = + T f pwm pwm, (4.6.a) T D pwm ( θ ϕ ) 1 1 in( θ ) 1 ρ 1 in + = + ϕ = = T f f pwm pwm. (4.6.b) On uppoe que le couant de otie à une fome inuoïdale en négligeant l ondulation upepoée : i = I k in. De plu, on uppoe le couant contant pendant une péiode MLI (c et poible pou une féquence MLI élevée). Pou le calcul de pete, on conidèe eulement la demi-onde poitive de couant, où le couant e épatit ente le tanito upéieu et la diode inféieue. Duant la deuxième demi-péiode, le couant e épatit ente le tanito inféieu et la diode upéieue, mai le valeu de pete ont identique. L énegie diipée dan le tanito pendant une péiode MLI et pou un angle et donnée pa : E TR = V ce I k ( θ ϕ ) 1 in + inθ + Tpwm, (4.7) où V ce et la chute de tenion du tanito IGBT en conduction (elle et en phae avec le couant i). La puiance moyenne diipée dan le tanito pou un angle et : ( θ ϕ ) 1 in P = + + TR Vce Ik inθ. (4.8) Comme on voit dan la figue 4.3, la puiance a une pulation double pa appot au couant et à la tenion, donc, pou calcule la puiance moyenne diipée dan un tanito duant une péiode complète, il faut intége la elation (4.8) en fonction de pou un intevalle = [0, π] : P IGBT π ( θ ϕ ) + = 1 in Vce Ik inθ + 0 dθ, 1 coϕ PIGBT = Vce Ik +. (4.9) π 4 71

83 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE De la même façon, on calcule le pete de conduction dan la diode duant une péiode complète et la elation finale et : 1 coϕ PD = VD I k, (4.10) π 4 où V D et la chute de tenion de la diode en conduction. Le elation (4.9) et (4.10) donnent donc le valeu de pete dan le tanito et le diode d un ba d onduleu. Le pete totale dan l onduleu ont : p cond V + V V VD = 3 IGBT D k π 4 ce D ce ( P + P ) = 3 I + coϕ. (4.11) Le facteu de puiance, coφ, peut ête calculé à pati de puiance abobée pa la machine : P = vd id + vqiq = V I coϕ puiance active ; (4.1) Q = vd iq vqid = V I inϕ puiance éactive. (4.13) Q inϕ = = tanϕ P coϕ Q coϕ = co actan (4.14) P Le pete totale du convetieu électonique de puiance obtiennent en faiant la omme de pete en commutation (4.) et en conduction (4.11). Dan la figue 4.4 on peut voi l allue de pete calculée pa le deux méthode et pou une féquence de commutation de 3 khz. On a défini pa Pete C le pete calculée pa la pemièe méthode et pa Pete R le pete calculée pa la deuxième méthode. En egadant la figue 4.4, on voit comment le pete ont influencée pa le facteu de puiance. Comme le imulation l ont monté, pou une puiance P = 995 W abobée pa la machine aynchone et un facteu de puiance coφ = 0,84, le pete dan le convetieu électonique de puiance ont d envion 57 W. A pati de ce valeu, on a calculé le poucentage de la puiance pedue dan l onduleu pa appot à la puiance de bu continu de celui-ci et le endement de l onduleu : 57 p conv = 100 = 1,86 %, (4.15) ηconv = 100 = 98,14 %. (4.16) 305 Le valeu donnée pa le elation (4.15) et (4.16) coepondent au égime nominal de fonctionnement de la machine aynchone. On a fait une aute détemination de pefomance de l onduleu, pou le ca où le facteu de puiance de la machine auait une valeu coφ = 0,53. Dan ce ca, la puiance de la machine aynchone étant P = 3140 W, la valeu de pete dan onduleu ont de 90 W. On obtient alo : 90 p conv = 100 =,78 %, (4.17) ηconv = 100 = 97, %. (4.18) 330 7

84 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Fig. 4.4 Allue de pete dan le convetieu électonique de puiance pendant le démaage de la MAS Fig. 4.5 Vaiation du endement du convetieu électonique de puiance en fonction du point de fonctionnement de la machine aynchone 73

85 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE En compaant le éultat donné pa (4.15) et (4.16) avec le éultat donné pa (4.17) et (4.18), on voit que le facteu de puiance influence conidéablement le endement de l onduleu. Dan la figue 4.5 on peut obeve la vaiation du endement du convetieu électonique de puiance pendant le démaage de la machine aynchone et l accéléation juqu à la vitee de 3000 T/min ; la machine et couplée au volant d inetie. On voit que le endement et plu éduit pendant le égime tationnaie de la machine. L explication vient du fait que, pendant le égime tationnaie, la machine fonctionne patiquement à vide pace que le eul couple éitant et caué pa le fottement. Il et bien connu que le facteu de puiance de la machine aynchone et faible i la machine n et pa chagée (Fig. 4.4) et ce fait e voit dan le endement du convetieu électonique de puiance. Pou imule le pete, on a utilié le caactéitique tatique du module IGBT SKM50GB13D, fabiqué pa Semikon, utilié dan le convetieu alimentant la machine aynchone du banc d eai qui ea décit dan un chapite épaé. Ce caactéitique ont donnée dan la figue 4.6. Fig. 4.6 Caactéitique tatique du module IGBT SKM 50 GB 13 D 74

86 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.3. Pete et endement énegétique du ytème MAS + volant d inetie Etimation de pete Joule dan la MAS Le pete Joule epéentent la puiance diipée dan le enoulement de la machine à caue de la éitance électique de ceux-ci. Pete Joule du tato Pou calcule ce pete, une fomule tè imple et bien connue et utiliée : p JS 3 R I =, (4.19) où R et la éitance d une phae tatoique et I la valeu efficace du couant taveant l enoulement de la même phae tatoique. En généal, on peut uppoe le toi enoulement comme étant identique, donc le pete totale ont obtenue en multipliant pa toi le pete dan un eul enoulement. Le couant I et déteminé à pati de valeu intantanée de toi couant tiphaé ou même de couant i d et i q : I = ( ia + ib + ic ) = ( id + iq ) = I, (4.0) 3 3 où I et l amplitude du couant tatoique. Dan le imulation, on a calculé la valeu de I en fonction de couant i d et i q : 1 I = ( id + iq ). (4.1) 3 En emplaçant (4.1) dan (4.19), on obtient l expeion utiliée pou calcule le pete tatoique de la machine aynchone : p = R ( i + i ). (4.) JS d q Pete Joule du oto Pou calcule ce pete, l expeion généalement utiliée dan la littéatue [4], [5] et : p JR = P, (4.3) où et le gliement de la machine et P la puiance active de la machine. L expeion utiliée dan le imulation et : p JR ( v i + v i ) =. (4.4) d d q q 75

87 4.3.. Etimation de pete fe Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Ce pete aivent dan le noyau feomagnétique de la machine et ont cauée pa le phénomène d hytééi et pa le couant de Foucault induit dan le noyau pa la vaiation du flux magnétique de la machine. Le pete fe peuvent ête calculée à pati du chéma équivalent de la machine (Fig. 4.7). Ce pete epéentent la puiance diipée dan la éitance de magnétiation R µ du chéma équivalent de la machine. Ce paamète a été déteminé pa l eai à vide de la machine. I R A jωl σ I U jωl h R µ U µ B R / g R I U U µ ω L e I φ R e I Fig. 4.7 Schéma équivalent monophaée de la machine aynchone et le diagamme de tenion Confomément à la figue 4.7, le pete fe ont donnée pa : p Fe U µ = 3. (4.5) R µ A pati du diagamme de tenion, on peut écie : U co ϕ R I = R I, (4.6.a) e et U in ϕ = ω L I, (4.6.b) e où R e et L e ont la éitance, epectivement l inductance, équivalente ente le point A et B. Enuite : ( U coϕ R I ) + ( U inϕ ) U, (4.7) µ = et, en intoduiant (4.7) dan (4.5), le pete fe ont : p Fe ( U coϕ R I ) + ( U inϕ ) = 3. (4.8) R µ Il faut mentionne que ce pete uppoent une tenion d alimentation pafaitement inuoïdale et ne pennent pa en compte le pete engendée pa la MLI du convetieu électonique de puiance. 76

88 Etimation de pete pa fottement Chapite 4 Bilan énegétique du SISE Une patie tè impotante de pete totale et due aux le fottement. Ce pete ont : o Le pete pa fottement viqueux, qui ont dépendante de la vitee de la machine; o Le pete pa fottement ec, qui ont indépendante de la vitee de la machine. Pete pa fottement viqueux Le couple de fottement viqueux et donné pa : C v = B Ω m, (4.9) où B et le coefficient de fottement viqueux et Ω m la vitee de la machine. La puiance pedue à caue de fottement viqueux et donnée pa : p v = C v Ω m = B Ω m. (4.30) On voit donc que ce type de pete devient tè impotant à de vitee élevée. C et pouquoi il faut eaye de minimie le coefficient de fottement viqueux autant que poible. Pete pa fottement ec Le pete due au couple de fottement ec ont calculée pa: p = C Ω m, (4.31) où C et le couple de fottement ec du SISE. Enfin, le pete totale cauée pa le fottement eont : p f m ( C + Ω B) = Ω. (4.3) m Bien û, le pete dan un ytème électomécanique ont beaucoup plu complexe, mai ce ont le pete pincipale exitante dan note SISE. Pou une péentation plu détaillée u le pete, on peut conulte [6] et [7]. 77

89 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE p fott p ond a) c) p Fe p JS p JR b) d) Fig. 4.8 Pete dan le SISE avec MAS, éultée pa imulation a) vitee du volant d inetie b) puiance dan le bu continu c) pete dan l onduleu, p ond, et pete pa fottement, p fott d) pete Joule tatoique, p JS, et otoique, p JR, et pete en fe, p Fe La figue 4.8 monte le éultat de imulation pou le pete d un SISE avec une MAS à paie de pôle (3 kw à 1500 T/min), un volant d inetie dont J = 0, kg m et un convetieu électonique de puiance dont le caactéitique ont été donnée dan le ou-chapite 4.. La MAS fonctionne toujou en égime défluxé. Lo de l accéléation du volant d inetie, la conigne du couant i q de la MAS et maintenue à 13 A. Lo du feinage, la conigne de couant et maintenue à -16 A. On a choii ce valeu de couant afin d avoi le même puiance tanitée pa le bu continu lo de deux égime de fonctionnement du SISE. La féquence de commutation de l onduleu a été fixée à 8 khz. 78

90 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.4. Bilan de puiance du SISE avec MAS Apè l etimation de pete, on a calculé le endement du SISE avec la MAS. La puiance utile et donnée pa : P u = P cc p ond p JS p JR p Fe p v - p, (4.33) où P cc et la puiance du bu continu. Donc, le endement du ytème et: Pu η c = 100. (4.34) P cc L expeion (4.34) donne le endement du SISE lo du chagement du volant d inetie. D une manièe imilaie peut ête calculé le endement lo du déchagement du volant d inetie. Enuite, en multipliant le deux endement, on peut touve le endement du SISE pou un cycle chage / déchage (CCD). Toutefoi, même i cette méthode analytique et tè igoueue, il et aez difficile de détemine le endement expéimental du SISE pa cette manièe. E v E c MAS E d Volant d inetie Onduleu de tenion SISE Fig. 4.9 Explication gaphique pou la détemination du endement du SISE Une méthode plu imple pou la détemination du endement du SISE compote la meue de l énegie à l entée du SISE et l énegie tockée dan le volant d inetie. Le endement du SISE lo du chagement du volant et donné pa Ev η c = 100, (4.35) E c et le endement lo du déchagement du volant et donné pa Ed η d = 100, (4.36) E v avec: E v énegie tockée dan le volant d inetie, E c énegie électique conommée pou chage le volant et E d énegie électique généée lo du déchagement du volant (Fig. 4.9). 79

91 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE E c E bc E v E v E bc E d a) c) b) d) Fig Rendement du SISE lo de deux égime de fonctionnement a) énegie du volant, E v, et dan le bu continu, E bc b) endement du SISE lo du chagement du volant d inetie c) énegie du volant, E v, et dan le bu continu, E bc d) endement du SISE lo du déchagement du volant d inetie Le endement du SISE pou un CCD et donné pa Ed η CCD = 100. (4.37) E c La figue 4.10 monte le éultat de imulation pou la détemination de endement du SISE, dan le même condition que pou le éultat de la figue 4.8. Le valeu de endement obtenue pa imulation ont : c = 89 %, d = 86 % et CCD = 76,5 % 80

92 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.5. Pete et endement du ytème MSAP + volant d inetie Etimation de pete Joule Pou la MSAP il y a de pete Joule eulement dan le tato, pace que le oto de la machine ne contient pa d enoulement électique. Le pete Joule du tato ont calculée de la même façon que pou la MAS, pa l expeion (4.) Etimation de pete fe Comme pou la MAS, ce pete peuvent ête etimée à pati du chéma équivalent de la MSAP (Fig. 4.11). i d R ωl q i q i q R ω(l d i d + Ψ pm ) v d R µ U µ v q R µ U µ a) b) Fig Schéma équivalent de la MSAP incluant le pete en fe a) pou l axe d b) pou l axe q L etimation de la éitance R µ étant tè difficile, ce pete ont été négligée lo de imulation Etimation de pete pa fottement Ce pete ont calculée de la même façon que pou la MAS. 81

93 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE p fott P ond a) c) b) d) Fig. 4.1 Pete dan le SISE avec MSAP, éultée pa imulation a) vitee du volant d inetie b) puiance dan le bu continu c) pete dan l onduleu, p ond, et pete pa fottement, p fott d) pete Joule tatoique, p JS La figue 4.1 monte le éultat de imulation pou le pete d un SISE avec une MSAP à 3 paie de pôle (,83 kw à 3000 T/min), un volant d inetie dont J = 0, kg m et un convetieu électonique de puiance dont le caactéitique ont été donnée dan le ou-chapite 4.. La MSAP fonctionne toujou dan la égion de couple contant. La conigne du couant i q de la MSAP et maintenue à ± 11 A lo de deux égime de fonctionnement du SISE. La féquence de commutation de l onduleu a été fixée à 8 khz. 8

94 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.6. Rendement du SISE avec MSAP E bc E v E bc E v a) c) b) d) Fig Rendement du SISE lo de deux égime de fonctionnement a) énegie du volant, E v, et dan le bu continu, E bc b) endement du SISE lo du chagement du volant d inetie c) énegie du volant, E v, et dan le bu continu, E bc d) endement du SISE lo du déchagement du volant d inetie La figue 4.13 monte le éultat de imulation pou la détemination de endement du SISE, dan le même condition que pou le éultat de la figue 4.1. Le valeu de endement obtenue pa imulation ont : c = 90, %, d = 90,6 % et CCD = 81,7 % 83

95 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 4.7. Concluion Dan ce chapite, le bilan énegétique de deux type de SISE ont péenté: SISE avec machine aynchone et SISE avec machine ynchone à aimant pemanent. Le calcul de pete et fait épaément pou le convetieu électonique de puiance et pou l enemble machine électique + volant d inetie. On a monté une méthode pécifique pemettant la détemination imple du endement du SISE lo de deux égime de fonctionnement (chagement ou déchagement du volant d inetie) ou u un cycle chage / déchage. De imulation ont été faite pou etime le pete et le endement de deux SISE. Le imulation ont monté que le pete dan le convetieu électonique de puiance ont dépendante du facteu de puiance de la machine électique. Si la machine fonctionne à un faible facteu de puiance, le endement du convetieu et dégadé. Le imulation ont monté un endement meilleu pou le SISE avec machine ynchone à aimant pemanent. Le éultat péenté dan ce chapite ont été publié dan toi aticle péenté à de conféence intenationale [8] [10] Réféence [1] P. Batiani, Statégie de commande minimiant le pete d un enemble convetieu machine altenative : Application taction électique, Thèe de doctoat, Intitut national de cience applique de Lyon, Fance, 3 Févie 001. [] C. Riva, A. Rufe, Compaaion de pete de convetieu pou ytème de poduction d énegie électique à pati d une pile à combutible, Acte de 8 ème Colloque «Electonique de Puiance de Futu» EPF 000, 9 nov. 1 déc. 000, Lille, Fance, pp [3] F. Labique, H. Buye, G. Séguie, R. Bauièe, Le convetieu de l électonique de puiance, Commande et compotement dynamique, Tome 5, Technique et Documentation Lavoiie, [4] J. Bonal, Entaînement électique à vitee vaiable, Vol. 1, TEC & DOC, Pai, Fance, [5] R. Chaupade, F. Milant, Electonique de puiance:. Commande de moteu à couant altenatif, Edition EYROLLES, Pai, Fance, [6] I. Boldea, S. A. Naa, Induction Machine Handbook, CRC Pe, Boca Raton, Floida, U.S.A., 00. [7] Guy Gellet, Pete dan le machine tounante, Technique de l ingénieu, taite Génie électique, D [8] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Pefomance analyi of an induction machine-baed flywheel enegy toage ytem aociated to a vaiable-peed wind geneato, Poceeding of the 9 th Intenational Confeence on Optimization of Electical and Electonic Equipment - OPTIM 004, Baov, Romania, 0- May 004. [9] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Loe and efficiency of a flywheel enegy toage ytem with pemanent-magnet ynchonou machine aociated to a vaiable-peed wind geneato, Poceeding of the 16th Intenational Confeence on Electical Machine, Cacow, Poland, 5-8 Septembe 004. [10] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Compaative Study of Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to Wind Geneato, Poceeding of the Intenational Confeence on Applied and Theoetical Electicity - ICATE 004, Baile-Heculane, Romania, Oct

96 Deuxième patie SISE ASSOCIE AU GENERATEUR EOLIEN Réumé La deuxième patie de la thèe pote u le SISE aocié au généateu éolien. On péente le poblème concenant la puiance founie pa le généateu éolien. Le vaiation de la vitee du vent engendent de vaiation u la puiance généée. Pou lie ce vaiation de puiance et pou pemette au généateu éolien de paticipe aux evice ytème ou de fonctionne en îloté, il faut aocie un ytème de tockage d énegie au généateu éolien. Le SISE et bien adapté à ce type d application en aion de ce caactéitique: bonne dynamique, bon endement, duée de vie imilaie à l éolienne, etc. Dan cette patie on popoe de tatégie de contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien.

97 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien 86

98 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien Chapite 5 Aociation du SISE au généateu éolien Réumé Le but de ce chapite et de faie une intoduction u le généateu éolien, de péente le poblème lié aux fluctuation de la puiance généée et d enviage le pincipale méthode de égulation de cette puiance. A caue de féquente vaiation de la vitee du vent, le généateu éolien actuel ne peuvent pa fonctionne an ête aocié à de généateu claique (goupe dieel, centale nucléaie, themique ou gande hydocentale). Le généateu à vitee vaiable e développent de plu en plu pace qu il pemettent l extaction du maximum de la puiance du vent. Il y a deux voie pou agi u la puiance généée pa un généateu éolien: la voie mécanique et la voie électique. On monte dan ce chapite que la voie électique et plu appopiée loqu on veut que le généateu éolien alimente un éeau faible ou de chage iolée. Pou cela, un SISE et aocié avec le généateu éolien afin de égule la puiance founie pa le généateu. On conidèe le généateu ynchone à aimant pemanent pace qu il et capable de démae en autonome. Le SISE joue le ôle de tampon ente le généateu éolien et e chage. 87

99 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien 5.1. Bef hitoique de généateu éolien L améicain Chale F. Buh ( ) mit en evice la pemièe éolienne detinée à la poduction de l électicité. Pendant l hive de , il a bâti une éolienne de type «wind oe» dont le oto avait 17 m en diamète et compotait 144 pale. La tubine a fonctionné 0 an en chageant le accumulateu placé dan la cave de la gande maion de Buh. Malgé le dimenion giganteque, la tubine entaînait un généateu à couant continu de 1 kw. Cela évèle le endement tè faible de l intallation ; c et une caactéitique de tubine de type «wind oe» améicaine, qui ont de tubine tè lente [1]. Le danoi Poul La Cou ( ) découvit que le tubine éolienne apide compotant peu de pale ont plu efficace pou la poduction de l électicité. Il fut un de pionnie de l aéodynamique. La Cou contuiit pluieu éolienne et utilia l électicité pou obteni l hydogène de l eau pa l électolye. C et lui qui a fondé la Société de Electicien Eolien et a publié la pemièe evue u l Electicité Eolienne. Il a donné aui de cou pou le électicien éolien au lycée d Akov Folk. Gâce aux découvete de La Cou, 10 éolienne, dont le puiance vaiaient de 0 à 35 kw, étaient déjà intallée au Danemak en La puiance totale intallée était d envion 3 MW et epéentait envion 3 % de l électicité conommée au Danemak à cette époque. Cependant, le développement de centale themique alentit le développement de éolienne; le centale themique pemettaient de puiance intallée beaucoup plu élevée et poduiaient de l électicité bon maché [1]. Le pemie eai de mie en place d une gande éolienne a été éalié en Ruie en Un généateu éolien de 100 kw fut intallé au bod de la Me Capienne. Il fonctionna pendant deux an et poduiit 00 MWh d électicité. De nombeue echeche fuent effectuée ente 1935 et 1970 aux Etat-Uni, Danemak, Fance, Allemagne et Gand Betagne en montant que la contuction de gande éolienne et faiable, mai le implantation patique ne ont pa nombeue. La plu gande éolienne de cette époque a été intallée en 1941 à Vemont, aux Etat-Uni. Elle avait une puiance de 1,5 MW et un oto à deux pale. Le contôle de l oientation de pale pemettait le fonctionnement à vitee contante (8 T/min). Cependant, l éolienne n a fonctionné que quelque centaine d heue et avec beaucoup d inteuption. En 1945, une pale et caée et mit fin à la vie de la pemièe éolienne dépaant 1 MW []. Le danoi Johanne Juul, un de étudiant de Poul La Cou, contuiit le pemie généateu éolien de couant altenatif. En 1957, il mit en place une éolienne tipale entaînant un généateu aynchone de 00 kw. L intallation a fonctionné 11 an an maintenance et a intoduit pluieu pincipe de contôle utilié aujoud hui dan le éolienne modene. Cependant, la baie du pix du pétole, au début de année 60, a mi encoe une foi le éolienne dan l ombe. Apè la pemièe cie de pétole, en 1973, pluieu compagnie du Danemak, de l Allemagne, la Suède, la Gande Betagne et le Etat-Uni popoèent de éolienne de gande puiance avec contôle de l oientation de pale. Toutefoi, le pix élevé de l électicité éolienne continua d ête un conte agument. Un ca à pat concene la contuction d une gande éolienne au Danemak en 1977 ayant un oto de 54 m en diamète et une puiance intallée de MW. Cette éolienne appote deux apect tè nouveaux pou l époque: le généateu ynchone fonctionnant à vitee vaiable et la connexion au éeau pa l intemédiaie d un cyclo-convetieu. L éolienne et encoe en fonctionnement [1] et [3]. L eo du développement de éolienne a commencé au début de année 80. De éolienne de quelque dizaine de kw ont commencé à ête intallée autou du monde afin d alimente le ite iolé. D un aute coté, plu de 1000 éolienne ayant une puiance unitaie de 55 kw ont été intallée dan une gande feme éolienne à Palm Sping en Califonie. Cela faiait patie d un pogamme améicain tè ambitieux, mai il fut aêté au milieu de année 80. Depui, c et l Allemagne qui a pi la tête et détient le plu gand maché du monde en matièe d éolienne [1]. Le feme d éolienne modene ont commencé d appaaîte en Euope dan le année 90. Commençant avec de éolienne de quelque centaine de kw, aujoud hui on intalle de éolienne de quelque MW. 88

100 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien 5.. Puiance founie pa le généateu éolien et containte Le généateu éolien ont de généateu dont la ouce pimaie d énegie et le vent. Il et bien connu que le vent a de caactéitique tè fluctuante et impéviible. Même il y a de évaluation tatitique pemettant pédie le valeu moyenne du vent pou quelque jou ou pou toute l année, la vitee du vent change tè féquemment et il et impoible de pédie a valeu pou un moment donné. Fig. 5.1 Allue de vent meué u le ite de Dunkeque (nod de la Fance) Fig. 5. Allue de puiance débitée pa la tubine éolienne La figue 5.1 monte une enveloppe de vitee de vent meué u le ite de Dunkeque, dan le nod de la Fance. La puiance débitée pa une tubine éolienne et popotionnelle au cube de la vitee du vent [4]. Donc, une petite vaiation de la vitee du vent cauea une vaiation impotante u la puiance débitée pa la tubine. Cela e voit bien u la figue 5. pou une tubine éolienne de 10 kw (puiance donnée pou un vent à m/). La puiance débitée pa la tubine et conidéée négative pace que c et une puiance généée. Comme la puiance mécanique débitée pa la tubine éolienne et tè fluctuante, la puiance électique généée pa le généateu éolien ea aui tè fluctuante. Cela poe beaucoup de poblème pou le adminitateu du ytème énegétique pou deux aion. Il faut aue la balance ente la puiance généée et la puiance conommée. Donc, le généateu éolien devait founi l énegie que le conommateu demande; ien en plu ou en moin. De plu, la puiance conommée et tè difficilement péviible et vaiable. A caue de ce etiction, le généateu éolien actuel ne peuvent pa fonctionne an ête aocié à une ouce claique d énegie (goupe dieel, centale themique, nucléaie ou le gande hydocentale). 89

101 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien Le généateu éolien actuel ont conidéé comme de chage négative dan le ytème énegétique: il poduient de l énegie mai il ne paticipent pa aux evice ytème (églage de féquence et tenion). Le evice ytème ont toujou à la chage de altenateu claique. C et pouquoi le taux de pénétation de la poduction éolienne, c et-à-die la puiance qu elle génèe pa appot à la puiance totale conommée, doit ête limité afin de pouvoi gaanti la tabilité du éeau dan de condition acceptable. Dan ce ca, cetain etou d expéience indiquent que pou de taux de pénétation upéieu à 0 ou 30% de poblème de tabilité peuvent appaaîte [5]. Si on veut augmente le taux de pénétation de éolienne, il faut touve de olution pemettant aux généateu éolien de paticipe aux evice ytème Aociation du SISE au généateu éolien Le pemie éultat expéimentaux concenant l aociation de généateu éolien avec de SISE ont été publié ve la fin de année 80 et le début de année 90 [6]-[7]. Ce pemie eai ont eu pou but l amélioation du fonctionnement de ytème éolien+dieel detiné à l alimentation de ite iolé. En aion du caactèe tè fluctuant de l énegie généée pa l éolien, le goupe dieel ont oumi à de égime de fonctionnement tè du afin de égule la puiance founie aux conommateu. Le difféente étude ont monté que l aociation d un SISE avec un ytème éolien+dieel appote de avantage impotant: baie de la conommation de fuel, duée de vie plu longue pou le goupe dieel et meilleu contôle de la puiance founie aux conommateu [6]-[13]. Le SISE contitue un tampon d énegie pemettant la égulation de la puiance founie aux conommateu. Dan le pemièe application, le couplage du SISE et fait u le éeau tiphaé, comme on le voit dan la figue 5.3 [6]-[13]. Le pemie généateu éolien étaient couplé diectement au éeau (Fig. 5.3) ce qui impoait une vitee de otation contante. Le développement de l électonique de puiance a endu poible le couplage de généateu éolien au éeau pa l intemédiaie de convetieu électonique de puiance. Cela pemet aux éolienne de fonctionne à vitee vaiable, afin d extaie le maximum de puiance au vent [4] et [14]. éolienne Machine aynchone Machine ynchone Moteu dieel Chage Stockage inetiel Fig. 5.3 Couplage du SISE avec un ytème éolien+dieel 90

102 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien Conv. 1 Conv. 3 MSAP 3 Filte T 3 Réeau MAS 3 Conv. Chage Iolée Volant d inetie Fig. 5.4 Eolienne à vitee vaiable aocié à du tockage en vue d un fonctionnement u éeau ou u chage iolée Dan la figue 5.4 on peut voi le chéma d une éolienne a vitee vaiable avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). Ce type d éolienne et appopié à l alimentation de chage iolée, ca elle pemet le démaage en autonome ou le black-tat. Pou ce type d éolienne, un SISE peut ête couplé u le bu continu, comme dan la figue 5.4 [15]- [17]. Dan ce ca, le ôle du SISE et de égule la tenion du bu continu et, implicitement, le flux de puiance au tave de celui-ci. Ce type de ytème fait l objet de l étude de cette thèe. Il y a deux moyen pou contôle la puiance founie pa le généateu éolien: Agi u le ytème mécanique, c et-à-die, implante le contôle de l oientation de pale pou le tubine éolienne [1] et [13]. Agi u le ytème électique, c et-à-die, aocie un ytème de tockage avec le généateu éolien [6]-[1] et [15]-[17] ou agi u le couple électomagnétique de la généatice [4] afin de contôle la puiance délivée au éeau ou u le chage iolée. Cependant, on peut agi u le couple électomagnétique de la généatice uniquement dan le ca où la puiance demandée pa la chage et plu petite que la puiance maximale que l éolienne peut founi. La pemièe méthode donne de éultat atifaiant i le généateu et couplé à un éeau puiant, qui n et pa déangé pa le fluctuation de puiance engendée pa l éolienne. Cependant, i le généateu débite u un éeau faible ou u de chage iolée, cette méthode de égulation ne peut plu aue la qualité de l énegie électique. C et la aion pou laquelle on choiit l aociation du SISE au généateu éolien, qui et une méthode de égulation plu apide et plu pécie [15]-[17]. Cet apect ea taité dan la uite de la thèe Concluion Un bef hitoique de généateu éolien et péenté au début de ce chapite. Enuite, le poblème pécifique lié à l énegie poduite pa ce type de généateu ont monté. Le chapite finit en expoant le poibilité d aociation du généateu éolien avec un SISE afin de égule la puiance débitée u le éeau. La olution etenue concene le généateu ynchone à aimant pemanent et le couplage avec le SISE pa l intemédiaie de bu continu de convetieu électonique de puiance. Le SISE compote une machine aynchone à cage. On monte aui le deux voie pincipale pemettant la égulation de la puiance founie pa le généateu éolien et on voit que l aociation du SISE pemet une meilleue égulation. 91

103 Chapite 5 Aociation du SISE avec le généateu éolien 5.5. Réféence [1] [] [3] [4] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe 004. [5] N. Jenkin, R. Allan, P. Coley, D. Kichen, G. Stbac, Embedded geneation, The Intitution of Electical Enginee (IEE), London, 000. [6] D.G. Infield, J.A.M. Bleij, A.H. Coonick, J.H. Ba, J.T. White, M.J. Haap, N.H. Lipman and L.L. Fei, A Wind/Dieel Sytem opeating with Flywheel Stoage, Poc EC Wind Enegy Confeence, Hening, June [7] J.A.M. Bleij, L.L. Fei, D.G. Infield, A.J. Ruddell, G.A. Smith, A Wind/dieel Sytem With Flywheel Enegy Buffe, Poceeding of Joint Intenational Powe Confeence Athen Powe Tech, Septembe 5-8, 1993, Page(): [8] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, "Bi-diectional powe contol fo flywheel enegy toage ytem with vecto-contolled induction machine dive", IEE confeence publication, pp , [9] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, A.J. Ruddell, Application of a powe-contolled flywheel dive fo wind powe conditioning in a wind/dieel powe ytem, Ninth Intenational Confeence on (Conf. Publ. No. 468) Electical Machine and Dive, 1-3 Sept. 1999, Page: [10] L. Leclecq, B. Robyn, J.M. Gave, Fuzzy logic baed upevio of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Poceeding of the 8 th Intenational Confeence on Optimization of Electical and Electonic Equipment - OPTIM 00, Baov, Romania, May 00, vol. II, pp [11] L. Leclecq, A. Kamagate, B. Robyn, J.-M. Gave, Modelling and imulation of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, ICEM 00, Buge, Belgium, Augut 00. [1] L. Leclecq, B. Robyn, J.-M. Gave, Contol baed on fuzzy logic of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Mathematic and Compute in Simulation, vol.63, iue 3-5, 003, pp [13] S. Hutado, G. Gotale, A. de Laa, N. Moeno, J.M. Caaco, E. Galvan, J.A. Sanchez, L.G. Fanquelo, A new powe tabilization contol ytem baed on making ue of mechanical inetia of a vaiable-peed wind-tubine fo tand-alone wind-dieel application, IECON 00, Sevilla, Spain, Octobe 00. [14] P. Baue, S. de Haan et M. Duboi, Wind enegy and offhoe windpak: State of the at and tend, EPE-PEMC 00, 00. [15] R. Cadena, R. Pena, G. Ahe, J. Clae, "Contol tategie fo enhanced powe moothing in wind enegy ytem uing a flywheel diven by a vecto-contolled induction machine", IEEE Tanaction on Indutial Electonic, vol. 48, n 3, June 001, pp [16] R. Cadena, R. Pena, G. Ahe, J. Clae, R. Blaco-Giménez, Contol tategie fo powe moothing uing a flywheel diven by a enole vecto-contolled induction machine opeating in a wide peed ange, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, vol. 51, n 3, June 004, pp [17] L. Leclecq, A. Anel, B. Robyn, "Autonomou high powe vaiable peed wind geneato ytem", EPE 003, Touloue, Fance, Septembe

104 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Réumé C et le chapite fondamental de cet ouvage. Ici on popoe de tatégie de contôle et de upeviion du SISE aocié au généateu éolien. Si le généateu débite u un éeau, le SISE peut ête chagé eulement avec la égulation de la puiance débitée au éeau. Pa conte, i le généateu alimente de chage iolée, le SISE doit aue aui la égulation de la tenion du bu continu. Deux méthode de contôle pou le SISE ont popoée: le contôle en vitee et le contôle en couple. Le imulation ont monté que le contôle en couple donne le meilleue pefomance. Pou la machine électique, on utilie le contôle vectoiel et le DTC. Le deux méthode péentent de pefomance énegétique imilaie, mai le temp de calcul u la cate à micopoceeu et éduit de 50% dan le ca du DTC. Pou mainteni la vitee du volant d inetie dan la plage du fonctionnement nomal, une tatégie de upeviion doit ête pévue. Si la vitee du volant devient top élevée, on diminue la puiance tockée. Si la vitee du volant devient top faible, on favoie le tockage. Toi type de upevieu ont popoé et le éultat de imulation pemettent de faie la compaaion. On dicute aui le choix de la contante de temp de filtage de la puiance généée. 93

105 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien 6.1. Intoduction u le contôle du SISE aocié au généateu éolien P éol 0 t P égl P éf tockage d énegie 0 t etitution d énegie Fig. 6.1 Pincipe du contôle de SISE aocié au généateu éolien Comme on a déjà vu dan le chapite pécédent, la puiance founie pa un généateu éolien et toujou vaiable, dû aux vaiation de la vitee du vent. De l aute coté, c et le conommateu ou le éeau qui doit ecevoi une puiance liée. La figue 6.1 monte le pincipe de contôle d un SISE aocié à un généateu éolien. Ayant la puiance généée pa le généateu éolien, P éol, et connaiant la puiance qu il faut délive au éeau ou u le chage iolée, P égl, une puiance de éféence pou le SISE peut ête déteminée comme uit: P éf = P P. (6.1) égl éol Si la puiance de éféence et poitive, c et qu il y a un excédent d énegie qui doit ête tockée. Si la puiance de éféence et négative, on a un déficit d énegie qui doit ête couvet pa l énegie tockée. Le contôle de la tenion du bu continu peut ête fait pa deux voie (Fig. 5.4): pa le convetieu coté éeau (Conv. 3), mai à condition d ête connecté u un éeau. pa le convetieu du SISE (Conv. ), ce qui et obligatoie lo de l alimentation de chage iolée. Si on utilie la pemièe méthode de égulation du bu continu, le contôle du SISE et baé u l expeion (6.1). Au contaie, il faut utilie la deuxième méthode de égulation, un teme nouveau doit ête ajouté à l expeion (6.1): P éf = P P P, (6.) égl éol où P epéente la puiance néceaie pou égule le bu continu. Le méthode de contôle et upeviion du SISE ont été développée eulement pou le SISE avec MAS (pace que la MSAP et utiliée comme généateu u le banc d eai). Cependant, le pincipe de contôle pou le SISE avec MAS peuvent ête appliqué aui pou le SISE avec MSAP. 94

106 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien 6.. Contôle du SISE aocié au généateu éolien Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le convetieu coté éeau Cette méthode de contôle a été la pemièe étudiée lo du tavail péenté dan cette thèe. Il et bien connu que l énegie et l intégale de la puiance en fonction de temp. Donc, en intégant la puiance de éféence déteminée pa (6.1) on obtient une énegie. En faiant la omme de cette énegie avec l énegie tockée dan le volant d inetie, on obtient l énegie de éféence pou le SISE: t t1 E = E + P dt, (6.3) c ef c t1 ef où E c t1 epéente l énegie initiale du volant d inetie. Remplaçant l expeion (6.3) dan (.1), on obtient la vitee de éféence pou le volant d inetie et, implicitement, pou la machine électique du SISE: Ω ef = E c ef J. (6.4) La vitee de éféence et limitée afin de mainteni la MAS dan la zone de fonctionnement à puiance contante et ne pa dépae la vitee maximale du volant d inetie. La figue 6. monte le chéma de contôle en vitee pou le SISE avec MAS. On voit que le SISE n intevient pa dan le églage de la tenion du bu continu. Refeence-peed compute P ef P egl P eol Ω ef Ω Φ ef Speed contolle i q ef Φ * Flux contolle Flux etimato i d ef Cuent contolle v q v d Decoupling ytem θ v q v d dq abc v abc Convete i q dq i a i b Refeence-flux compute FOC i d abc i c Flywheel MAS Fig. 6. Schéma de contôle en vitee pou le SISE et contôle vectoiel pou la MAS Ω 95

107 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Fig. 6.3 Puiance délivée pa le généateu éolien Fig. 6.8 Puiance délivée pa le généateu éolien Fig. 6.4 Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig. 6.9 Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig. 6.5 Vitee du volant d inetie Fig Vitee du volant d inetie Fig. 6.6 Puiance électique du SISE Fig Puiance électique du SISE Fig. 6.7 Tenion du bu continu Fig. 6.1 Tenion du bu continu Le figue péentent le éultat de imulation pou le contôle en vitee du SISE. Pou faie le imulation, le ytème de la figue 5.4 a été implanté ou Matlab/Simulink, à l'exception du modèle de chage iolée. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau doit ecevoi une puiance contante de 1,6 kw. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau demande une puiance vaiable. Dan le deux ca, le églage du bu continu et aué pa le convetieu coté éeau. Le figue 6.7 et 6.1 montent la tenion du bu continu. Le SISE conidéé dan le imulation compote une MAS de 3 kw à 1500 T/min et un volant d inetie dont J = 0,6 kg m. Le éultat de imulation ont monté un compotement atifaiant pou le contôle en vitee du SISE. 96

108 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien 6... Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE Refeence-peed compute P ef P egl P eol P Voltage contolle V DC ef Ω ef Ω Φ ef Speed contolle i q ef Φ * Flux contolle Flux etimato i d ef Cuent contolle v q v d Decoupling ytem θ v q v d dq abc v abc Convete i q dq i a i b Refeence-flux compute FOC i d abc i c Flywheel MAS Ω Fig Schéma de contôle en vitee pou le SISE et contôle vectoiel pou la MAS La figue 6.13 monte le deuxième chéma de contôle étudié. Dan ce ca, le contôle du bu continu et aué pa le SISE. Le figue montent le éultat de imulation dan le ca où le éeau doit ecevoi une puiance contante de 1,6 kw. Le figue montent le éultat de imulation dan le ca où le éeau demande une puiance vaiable. Dan le deux ca, le églage du bu continu et aué pa le SISE. La figue 6.3 monte la tenion du bu continu obtenue pa la imulation où le éeau demande une puiance vaiable. On voit quelque pic de tenion lo de vaiation buque de puiance, mai le coecteu de tenion attape bien le eeu. Le SISE conidéé dan le imulation compote une MAS de 3 kw à 1500 T/min et un volant d inetie dont J = 0,6 kg m. Le éultat de imulation ont monté un compotement meilleu en ce qui concene la puiance délivée au éeau et un compotement dégadé en ce qui concene la égulation du bu continu; cela pa appot au ca où le contôle du bu continu et aué pa le convetieu coté éeau. Apè le imulation, on a eayé de mette en patique la méthode de contôle en vitee du SISE avec MAS. Malgé le bon éultat obtenu en imulation, l implantation patique a donné de mauvai éultat. Pou le ca où le contôle du bu continu et éalié pa le convetieu coté éeau, le éultat patique ont été à peu pè atifaiant, mai l implantation patique du contôle du bu continu pa le SISE et avéée impoible. L explication vient du fait que le chéma de contôle néceitent de temp de calcul impotant, ce qui a impoé l utiliation d une péiode d échantillonnage à 400 µ pou la cate à micopoceeu. Cette péiode d échantillonnage engende un fonctionnement dégadé qui n a pa été obevé lo de imulation, où on a utilié de modèle continu. Pa conéquent, le echeche ont été oientée ve la implification du chéma de contôle. 97

109 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Fig Puiance délivée pa le généateu éolien Fig Puiance délivée pa le généateu éolien Fig Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig. 6.0 Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig Vitee du volant d inetie Fig. 6.1 Vitee du volant d inetie Fig Puiance électique du SISE Fig. 6. Puiance électique du SISE Fig Tenion du bu continu Fig. 6.3 Tenion du bu continu 98

110 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Contôle en couple pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE P egl Q ef Contol of the netwok convete Convete 3 Ω Refeence-toque compute C ef P ef P P eol Voltage contolle V DC ef Φ ef i q ef compute i d ef compute i q ef i d ef Cuent contolle v q v d Decoupling ytem θ v q v d dq abc v abc Convete i q dq i a i b Refeence-flux compute i d Roto-flux oiented contol abc i c Flywheel IM Ω Fig. 6.4 Schéma de contôle en couple pou le SISE et contôle vectoiel pou la MAS A pati de expeion (6.1) ou (6.), on peut touve le couple de éféence pou le SISE: P ' ef C ef = + B Ω + Ω C, (6.5) où B et le coefficient de fottement viqueux, Ω et la vitee du volant d inetie et C le couple de fottement ec. Cependant, la elation (6.5) ne peut pa ête utiliée diectement dan le chéma de contôle. Cela pace que la vitee du volant d inetie doit ête maintenue ente deux limite. Dan le ca péent, le deux limite ont à 1000 T/min et à 3000 T/min. Donc, une fonction logique a été implantée: [( Ω > 1000) & ( P ef < 0) ] xo [( Ω < 3000) & ( P 0) ] a, (6.6) = ef et le couple de éféence pou le SISE et donné pa: 0, i a = 0, Cef = (6.7) ' Cef, i a = 1. 99

111 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien A pati de expeion (3.4), (3.5) et (6.7), le couant i q de éféence pou la MAS peut ête calculé comme: i q ef C ef = * p M L * Φ ef. (6.8) Pa cette voie, on a éliminé le coecteu de vitee, mai aui l intégation numéique néceaie au calcul de l énegie de éféence pa (6.3). Le intégateu ont tè goumand en temp de calcul. Le pa uivant fut l élimination du coecteu de flux. De echeche antéieue ont monté qu on peut e dipene de ce coecteu en gadant de bonne pefomance du contôle [1]. Donc, la éféence pou le couant i d de la MAS et donnée pa: i def Φ ef =. (6.9) * M Le nouveau chéma de contôle pou le SISE et donné dan la figue 6.4. Un élément tè impotant de ce chéma et contitué pa la atuation de la puiance de éféence, P ef. Cette puiance ne doit pa dépae la valeu de la puiance nominale de la MAS. San la atuation, il y a la poibilité que la puiance de éféence penne de valeu plu gande que la puiance nominale de la MAS. Cela engendeait une fonctionnement en uchage de la MAS qui n et pa ouhaitable. Enuite, on péente de éultat de imulation obtenu avec le chéma de contôle en couple du SISE et le contôle du bu continu pa le SISE. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau doit ecevoi une puiance contante de 1,6 kw. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau demande une puiance vaiable. Dan le deux ca, le églage du bu continu et aué pa le SISE. La figue 6.31 monte la tenion du bu continu obtenue pa la imulation où le éeau demande une puiance vaiable. On obeve quelque pic de tenion lo de vaiation buque de puiance, mai le coecteu de tenion attape bien le eeu. De plu, en faiant la compaaion ente le figue 6.3 et 6.34, on voit que le SISE contôlé en couple égule mieux le bu continu que le SISE contôlé en vitee. Le SISE conidéé dan le imulation compote une MAS de 3 kw à 1500 T/min et un volant d inetie dont J = 0,6 kg m. Le éultat de imulation monte un tè bon compotement du contôle en couple pou le SISE. Le chéma de contôle en couple pou le SISE a pemi la éduction de la péiode d échantillonnage, lo de l implantation patique, à 00 µ. 100

112 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Fig. 6.5 Puiance délivée pa le généateu éolien Fig Puiance délivée pa le généateu éolien Fig. 6.6 Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig. 6.7 Vitee du volant d inetie Fig. 6.3 Vitee du volant d inetie Fig. 6.8 Puiance électique du SISE Fig Puiance électique du SISE Fig. 6.9 Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu Contôle en couple pou le SISE, contôle diect en couple pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE L implantation de tatégie de upeviion pou le SISE a évélé encoe une foi le beoin de éduction de temp de calcul u la cate à micopoceeu pou pouvoi fonctionne avec une péiode d échantillonnage de 50 µ. C et pouquoi on a pocédé au emplacement du contôle vectoiel pou la 101

113 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien MAS pa le contôle diect en couple (DTC). Le DTC pemet un fonctionnement à de péiode d échantillonnage quate foi plu coute que le contôle vectoiel []. Ω Refeence-flux compute Refeence-toque compute P ef Φ ef Switching Convete C ef table Satuation DTC P eg P eol Φ * C * Hyteei contolle P Secto Toque and Flux Etimato Voltage contolle S a,b,c V DC i a i b i c V DC ef IM Flywheel Fig Schéma de contôle en couple pou le SISE et contôle diect en couple pou la MAS Le chéma de contôle et donné dan la figue La éféence de couple et calculée pa la elation (6.7). Le flux de éféence et calculé en fonction de la vitee pa: Φ nom, if Ω Ωb, Φef 1 = Ω (6.10) b Φ nom, if Ω > Ωb, Ω où Ω et la vitee du volant d inetie, Ω b et la vitee de bae de la MAS et Φ nom et le flux nominal de la MAS. Le éultat de imulation ont péenté enuite. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau doit ecevoi une puiance contante de 1,6 kw. Le figue montent le éultat de imulation pou le ca où le éeau demande une puiance vaiable. Dan le deux ca, le églage du bu continu et aué pa le SISE. La figue 6.45 monte la tenion du bu continu obtenue pa la imulation où le éeau demande une puiance vaiable. Pou le contôle vectoiel de la MAS on a utilié le modèle continu équivalent de convetieu électonique de puiance. C et pouquoi on ne voit pa le effet de la MLI u la tenion de bu continu (Fig. 6.7, 6.1, 6.18, 6.3, 6.9 et 6.34). D une aute pat, lo de la imulation du DTC il n et plu poible d utilie le modèle continu équivalent au lieu du modèle dicet. C et pouquoi u le figue 6.40 et 6.45 on obeve le ocillation de la tenion du bu continu engendée pa la MLI. Pou le figue 6.37 et 6.4 on a filté la puiance délivée au éeau afin de gade l analogie avec le imulation pécédente. Le SISE conidéé dan le imulation compote une MAS de 3 kw à 1500 T/min et un volant d inetie dont J = 0,6 kg m. Le éultat de imulation montent que le chéma de contôle en couple pou le SISE et DTC pou la MAS donne de bon éultat, compaable au contôle vectoiel. De l aute coté, l utiliation du DTC a pemi la éduction du temp de calcul à 80 µ u la cate à micopoceeu. 10

114 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Fig Puiance délivée pa le généateu éolien Fig Puiance délivée pa le généateu éolien Fig Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig. 6.4 Puiance de églage (ligne inteompue) et puiance délivée au éeau (ligne continue) Fig Vitee du volant d inetie Fig Vitee du volant d inetie Fig Puiance électique du SISE Fig Puiance électique du SISE Fig Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu Amélioation de pefomance énegétique du DTC En egadant le éultat de imulation péenté dan ce chapite, on voit que la puiance électique de la MAS et toujou vaiable et il y a beaucoup de temp où la machine fonctionne à de puiance tè faible. D aute pat, le endement de la MAS diminue loque la machine fonctionne à de puiance inféieue à la puiance nominale. C et pouquoi on a cheché une olution pou amélioe le pefomance énegétique de la MAS lo du fonctionnement à de puiance faible. 103

115 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien La olution etenue a été d intoduie un teme nouveau dan la elation (6.10). Ce teme doit teni compte du degé de chagement de la MAS en povoquant un affaibliement de flux loque la puiance de la MAS diminue. Aini, la elation (6.10) devient: Φ ef C pu Φ nom, if Ω Ωb Φ pu =, (6.11) Ω C b pu Φ nom, if Ω > Ωb Ω Φ pu où Φ pu epéente le flux de la MAS en p.u. et C pu et le couple de éféence pou la MAS en p.u. En faiant de imulation avec la nouvelle fomule de défluxage pou la MAS, on a obevé une bonne amélioation du endement loque la MAS fonctionne à de puiance faible. Pa conte, loque la MAS fonctionne à de puiance poche de la puiance nominale, on endement diminue. Apè cette obevation, on a décidé de combine le elation (6.10) et (6.11) afin d avoi un bon endement u toute la plage de puiance de la MAS. où k Enfin, la éféence de flux pou la MAS et calculée pa Φ = k Φ k, (6.1) ef C IM ef 1 + ( 1 ) Φef ef = et P IM et la puiance nominale de la MAS. P Ω Le éultat de imulation ont donné dan le Tableau 6.1 et dan la figue On voit que, i la MAS fonctionne à 500 W, l optimiation du défluxage engende une augmentation de 18% pou le endement du SISE u un CCD. Puiance de la MAS DTC Tableau 6.1 Rendement obtenu pou un CCD du SISE 0.5 kw 0.75 kw 1 kw 1.5 kw 1.5 kw 1.75 kw kw.5 kw.5 kw.75 kw 3 kw Claique Amélioé DTC claique DTC amélioé Fig Rendement énegétique de la MAS pou le DTC claique et epectivement pou le DTC amélioé 104

116 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien 6.3. Supeviion du SISE aocié au généateu éolien Le imulation péentée dan la ection pécédente ont eu pou but de valide le méthode de contôle pou le SISE, mai le valeu pie pa la puiance de églage ont de valeu hypothétique. En éalité, la puiance de églage doit teni compte de deux containte: La vitee du volant d inetie doit ête toujou maintenue ente le limite de atuation. La limite inféieue et donnée pa la vitee de bae de la machine électique et la limite upéieue et donnée pa la vitee maximale du volant d inetie. L inetie du volant et limitée. Cela veut die que le poibilité de tockage ont limitée. P eol Ω P eolf Supevieu P egl Fig Schéma bloc du upevieu Afin de mainteni le SISE dan on domaine de fonctionnement, il faut pévoi un upevieu. Le upevieu détemine la puiance de églage en fonction de la vitee du volant d inetie et d une puiance P eolf obtenue pa le filtage de la puiance généée. Le chéma bloc du upevieu et donné dan la figue On a conidéé une machine avec X = 3 (voi le paagaphe.3). P egl [p.u.] P eolf [p.u.] Ω [p.u.] Fig Evolution de la puiance de églage (déteminée pa la logique floue) en fonction de la vitee du volant et de la puiance généée 105

117 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Supevieu à puiance liée Un upevieu baé u la logique floue et popoé dan [3] et [4]. La uface du upevieu et donnée dan la figue 6.48 et on développement et décit dan l Annexe A.5. Cependant, l implantation du upevieu à logique floue u la cate à micopoceeu néceite une péiode d échantillonnage tè gande (envion 900 µ). Avec cette péiode d échantillonnage il et impoible de éalie un bon contôle du SISE. Il a donc fallu touve de méthode de upeviion plu imple. P egl [p.u.] P eolf [p.u.] Ω [p.u.] Fig Evolution de la puiance de églage (déteminée pa le upevieu à puiance liée) en fonction de la vitee du volant et de la puiance généée La pemièe méthode de implification du upevieu concene l appoximation de la uface de la figue 6.48 pa un plan incliné décit pa: P egl = 0.63 P eolf Ω 0.17 [p.u.]. (6.13) Cette elation a été déteminée empiiquement afin de péeve le quate coin de la uface initiale. Enuite, le upevieu utiliant la elation (6.13) ea nommé «Supevieu à puiance liée». Cela pace que ce type de upevieu détemine une puiance P egl liée, mai toujou vaiable. Cette puiance ea plu liée que la puiance généée, P eol, mai moin liée que la puiance généée filtée, P eolf. Tant que l inetie de volant et gande, la puiance de églage et plu poche de la puiance généée filtée. La uface du upevieu à puiance liée et donnée dan la figue L implantation patique du upevieu à puiance liée néceite une péiode d échantillonnage à 50 µ lo de l utiliation du contôle vectoiel pou la MAS et 15 µ i on utilie le DTC. 106

118 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Supevieu à puiance contante P egl [p.u.] P eolf [p.u.] Ω [p.u.] Fig Evolution de la puiance de églage (déteminée pa le upevieu à puiance contante) en fonction de la vitee du volant et de la puiance généée Tableau 6. Valeu de P egl pou le upevieu a puiance contante P eolf [p.u.] Ω [p.u.] /6 1/6 1/3 1/ /6 1/6 1/3 1/ /3 1/3 1/ 1/ /3 / /3 1/3 1/ 1/ /3 / /3 /3 5/6 5/ /3 /3 5/6 5/6 1 1 Le deuxième upevieu implifié et toujou baé u le upevieu à logique floue. L axe de la puiance généée filtée et divié en toi égion égale et le but de ce upevieu et de founi une puiance contante u chaque égion. C et pouquoi ce upevie ea appelé «Supevieu à puiance contante». Le upevieu à puiance contante a été implanté à l aide d une «look-up table» baée u le Tableau 6. et a uface et donnée dan la figue On utilie l intepolation linéaie pou le valeu intemédiaie de vecteu d entée. Le temp de calcul ont imilaie à ceux obtenu avec le upevieu à puiance liée. 107

119 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Choix de la contante de temp du filte et dicuion u le éultat obtenu avec le deux type de upevieu Lo de la upeviion, il et tè impotant de bien choii la contante de temp du filte (Fig. 6.47). Idéalement, on voudait que la contante du temp oit tè gande, afin de lie au maximum la puiance généée. Cependant, cette contante et liée à la capacité de tockage du SISE [5]. Le choix de la valeu de la contante de temp peut ête fait en conidéant le ca le plu etictif du point de vue du temp de diponibilité du SISE: chagement à puiance nominale. Cela uppoe que le volant du SISE accélèe de la vitee de bae juqu à la vitee maximale dan le temp le plu cout poible. Pou ce ca, on peut écie: ( Ω Ω ) J max b τ Pnom =. (6.14) En éaangeant l expeion (6.14), on peut touve, la contante de temp en fonction de l inetie du volant, J = ( Ω Ω ) max b τ [], (6.15) P nom ou l inetie du volant en fonction d une contante de temp déiée: J = τ ( Ω Ω ) max P nom b [kg m ]. (6.16) Mai, ce n et pa eulement l inetie du volant qui et dépendante de la contante de temp du filte. La puiance nominale du SISE doit aui ête choiie en fonction de la contante du temp. Cela pace que l augmentation de la contante de temp augmentea l écat ente la puiance généée et la puiance filtée, fait qui povoquea l augmentation de vaiation de la puiance de éféence. Donc, tant que la contante de temp ete gande, la puiance nominale du SISE doit e appoche de la puiance nominale du généateu éolien. Enuite, on péente le éultat de imulation pou le type de upevieu. Le figue montent de éultat de imulation avec le upevieu à puiance liée et le figue et le figue montent le éultat avec le upevieu à puiance contante. Pou chaque upevieu ont été conidéée le deux méthode de contôle de la MAS, chacune pou deux valeu de l inetie du volant. La contante de temp du filte a été fixée à 30. Comme la puiance nominale de la MAS et de 3 kw à 1500 T/min, la machine peut fonctionne à kw ente 1000 et 3000 T/min. Pou ce valeu, la elation (6.16) donne la valeu J = 1,37 kg m pou l inetie du volant. Cependant, dan le imulation on a pi le valeu 0,6 et 3,6 pou l inetie du volant. Cela, pou voi comment l inetie du volant influence le compotement du ytème. 108

120 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien P eol P eolf P e P eol P eolf P e Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (contôle vectoiel pou la MAS et J = 0,6 kg m ) Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (contôle vectoiel pou la MAS et J = 3,6 kg m ) Fig. 6.5 Vitee du volant Fig Vitee du volant Fig Couple de la MAS Fig Couple de la MAS Fig Puiance du SISE Fig Puiance du SISE Fig Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu 109

121 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien P eol P eolf P e P eol P eolf P e Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (DTC pou la MAS et J = 0,6 kg m ) Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (DTC pou la MAS et J = 3,6 kg m ) Fig. 6.6 Vitee du volant Fig Vitee du volant Fig Couple de la MAS Fig Couple de la MAS Fig Puiance du SISE Fig Puiance du SISE Fig Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu 110

122 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien P eol P eolf P e P eol P eolf P e Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (contôle vectoiel pou la MAS et J = 0,6 kg m ) Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (contôle vectoiel pou la MAS et J = 3,6 kg m ) Fig. 6.7 Vitee du volant Fig Vitee du volant Fig Couple de la MAS Fig Couple de la MAS Fig Puiance du SISE Fig Puiance du SISE Fig Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu 111

123 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien P eol P eolf P e P eol P eolf P e Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (DTC pou la MAS et J = 0,6 kg m ) Fig Puiance généée, puiance généée filtée et puiance envoyée au éeau (DTC pou la MAS et J = 3,6 kg m ) Fig. 6.8 Vitee du volant Fig Vitee du volant Fig Couple de la MAS Fig Couple de la MAS Fig Puiance du SISE Fig Puiance du SISE Fig Tenion du bu continu Fig Tenion du bu continu 11

124 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Le éultat de imulation montent comment le upevieu agit u la égulation de la puiance délivée au éeau afin de mainteni la vitee du volant ente e limite de fonctionnement (1000 et 3000 T/min dan ce ca). Si l inetie du volant et faible, a vitee balaie apidement toute la plage de vitee et cela e voit dan la vaiation plu accentuée de la puiance délivée au éeau. Pa conte, i l inetie et gande, la vitee du volant vaie beaucoup moin et tend à e tabilie autou du milieu de la plage de vaiation. Le imulation ont monté de compotement imilaie pou le deux type de contôle de la MAS (contôle vectoiel ou DTC). Le choix du upevieu doit ête fait en fonction de l application concenée. Le éultat de imulation ont évélé que le upevieu à puiance contante a beoin d une contante de temp plu gande pou qu il donne de éultat atifaiant. Une gande contante de temp uppoe une gande inetie. Cela veut die qu il et plu difficile de contuie un tel ytème pa appot au upevieu à puiance liée. Donc, pou le ytème de gande puiance (comme le généateu éolien débitant u un éeau), le SISE avec le upevieu à puiance liée et plu convenable et peut donne de éultat tout à fait atifaiant. Pa conte, lo d une application u chage iolée, le upevieu à puiance contante et péféable [6] [11]. Dan ce ca, la puiance du ytème étant beaucoup plu éduite pa appot à l application pécédente, il et plu imple de contuie un SISE avec une gande contante de temp Deuxième type de upevieu à puiance contante Lo de l étude de deux upevieu mentionné pécédemment, une nouvelle idée et uvenue pou la éaliation d un upevieu à puiance contante. A condition d avoi la poibilité de fabique un SISE avec une gande contante de temp, un upevieu comme celui péenté dan la figue 6.91 peut ête implanté. Fig Deuxième upevieu à puiance contante Un bloqueu d ode zéo et utilié pou échantillonne la puiance filtée. La péiode d échantillonnage et égale à la contante de temp du filte. La otie du bloqueu donne la puiance bute de églage. La valeu de cette puiance doit ête ajutée en fonction de l énegie tockée dan le volant d inetie. Pou cela, on fait le appot ente l énegie intantanée du volant et la moitié de l énegie utile (ce teme ea expliqué ultéieuement). Le éultat de cette diviion et aui échantillonné avec la contante de temp du filte et multiplié avec la puiance bute de églage afin d obteni la vaie puiance de églage, qui ea utiliée pou la commande du SISE. 113

125 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien Un limiteu de pente doit ête pévu pou limite la vitee de vaiation de la puiance églée. La pente du limiteu et choiie en fonction de aute ytème de poduction lié en paallèle avec le généateu éolien. Pa exemple, il et aocié avec un goupe dieel, la pente de limiteu doit ête choiie en fonction de la vitee de épone du goupe dieel. Une aute potection et pévue pou mainteni la vitee du volant ente e limite. Cette potection et implantée pa l aide d une «Look-up table». L énegie utile et donnée pa la difféence ente l énegie maximale du volant d inetie et l énegie qu il tocke encoe loqu il aive à la limite inféieue de vitee. Pou un volant tounant ente 1000 et 3000 T/min, la moitié de l énegie utile et tockée loqu il toune à 35 T/min ou 34 ad/. Fig. 6.9 Vitee du vent Fig Vitee du vent P eol P eolf P e P eol P eolf P e Fig Puiance généée, puiance filtée et puiance envoyée au éeau Fig Puiance généée, puiance filtée et puiance envoyée au éeau Fig Vitee du volant Fig Vitee du volant Fig Puiance du SISE Fig Puiance du SISE Le figue montent le éultat de imulation avec le deuxième upevieu à puiance contante et pou deux vitee initiale du volant d inetie. Le SISE compote une MAS de 3 kw à 1500 T/min et un volant d inetie dont J = 4 kg m. Le limite de vitee ont été fixée à 1000 et 3000 T/min. Cela fait que la contante de temp du SISE et toi foi plu gande que la contante de temp du filte. 114

126 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien On voit que le upevieu agit pou appoche la vitee du volant à la valeu coepondant à la moitié de l énegie utile. On voit aui que le éeau eçoit de tonçon de puiance contante dont la duée et d envion 30. Une contante de temp de filtage et d inetie de volant plu gande pemettont d étende le tonçon à puiance contante Concluion Ce chapite commence avec la péentation du pincipe de contôle du SISE aocié au généateu éolien. Le SISE et contôlé pa une puiance de éféence obtenue en fonction de la puiance généée et de la puiance à envoye au éeau. La deuxième patie du chapite pote u le méthode de contôle du SISE. Quate ca ont été pi en compte: Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le convetieu coté éeau; Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE; Contôle en couple pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE; Contôle en couple pou le SISE, contôle diect en couple pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE. Le éultat de imulation ont monté que le deux denièe tatégie de contôle ont meilleue pa appot aux pemièe. Dan le ca de deux denièe méthode, le imulation ont monté de éultat imilaie. Cependant, le contôle diect en couple pemet la diviion pa deux du temp de calcul u la cate à micopoceeu. Aui, une méthode d amélioation de pefomance énegétique du contôle diect en couple et péentée. Le imulation ont monté une augmentation du endement énegétique du SISE loqu il fonctionne à de faible puiance. La toiième patie du chapite pote u le pincipe de upeviion du SISE. Le but et de mainteni la vitee du volant d inetie ente le limite nomale de fonctionnement. A pati d un upevieu à logique floue, deux type de upevieu implifié ont popoé. Cela pace que le upevieu à logique floue néceite top de temp de calcul lo d une implantation patique. Le pemie upevieu a pou but de lie la puiance généée. Il et appopié pou l application avec de gand généateu débitant u le éeau. Enuite, deux upevieu ont popoé afin de pemette d envoye de tonçon de puiance contante. Leu application et oientée utout ve l alimentation de ite iolé, pou ête aocié avec de goupe dieel. Le éultat de imulation montent la fonctionnalité de upevieu popoé. Enfin, une dicuion u le choix de l inetie du volant et de la contante de temp pou le filtage de la puiance généée et péentée. On voit que le upevieu à puiance contante ont beoin de plu d inetie pa appot au upevieu à puiance liée. Le éultat péenté dan ce chapite ont été publié dan huit aticle: [1] [19]. 115

127 6.5. Rééence Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien [1] B. Robyn, Synthèe de commande obute pou machine aynchone baée u une théoie caactéiant la enibilité paamétique, Rappot de ynthèe, Univeité de Science et Technologie de Lille, Fance, 31 Ma 000. [] D. Caadei, F. Pofumo, G. Sea, A. Tani, FOC and DTC: Two viable cheme fo induction moto toque contol, IEEE Tanaction on Powe Electonic, vol. 17, n 5, Septembe 00, pp [3] L. Leclecq, B. Robyn, J.M. Gave, Fuzzy logic baed upevio of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Poceeding of the 8 th Intenational Confeence on Optimization of Electical and Electonic Equipment - OPTIM 00, Baov, Romania, May 00, vol. II, pp [4] L. Leclecq, B. Robyn, J.-M. Gave, Contol baed on fuzzy logic of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Mathematic and Compute in Simulation, vol.63, iue 3-5, 003, pp [5] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe 004. [6] J.A.M. Bleij, L.L. Fei, D.G. Infield, A.J. Ruddell, G.A. Smith, A Wind/dieel Sytem With Flywheel Enegy Buffe, Poceeding of Joint Intenational Powe Confeence Athen Powe Tech, Septembe 5-8, 1993, Page(): [7] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, "Bi-diectional powe contol fo flywheel enegy toage ytem with vecto-contolled induction machine dive", IEE confeence publication, pp , [8] F. Hadan, J.A.M. Bleij, R. Jone, P. Bomley, A.J. Ruddell, Application of a powe-contolled flywheel dive fo wind powe conditioning in a wind/dieel powe ytem, Ninth Intenational Confeence on (Conf. Publ. No. 468) Electical Machine and Dive, 1-3 Sept. 1999, Page(): [9] L. Leclecq, B. Robyn, J.M. Gave, Fuzzy logic baed upevio of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Poceeding of the 8 th Intenational Confeence on Optimization of Electical and Electonic Equipment - OPTIM 00, Baov, Romania, May 00, vol. II, pp [10] L. Leclecq, A. Kamagate, B. Robyn, J.-M. Gave, Modelling and imulation of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, ICEM 00, Buge, Belgium, Augut 00. [11] L. Leclecq, B. Robyn, J.-M. Gave, Contol baed on fuzzy logic of a flywheel enegy toage ytem aociated with wind and dieel geneato, Mathematic and Compute in Simulation, vol.63, iue 3-5, 003, pp [1] L. Leclecq, C. Saudemont, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Flywheel enegy toage ytem to impove the integation of wind geneato into a netwok, Poceeding of the 5th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem - ELECTROMOTION 003, Vol., Maakeh, Moocco, Novembe 6-8, 003. [13] C. Saudemont, L. Leclecq, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Développement d'un émulateu Temp Réel d'un Sytème de Généation Eolienne Aocié à un Stockage Inetiel d'enegie, Colloque ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR - EF'003, Gif-u-Yvette, Fance, 9 et 10 décembe 003. [14] C. Saudemont, L. Leclecq, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Développement d'un Émulateu Temp Réel d'un Sytème de Généation Eolienne Aocié à un Stockage Inetiel d'enegie, Revue de l Electicite et de l Electonique REE, No. 11, Decembe 004, ISSN , pp , Fance. [15] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, DTC veu FOC of an IM-baed Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Invited pape at 8 th Intenational Confeence on Modeling and Simulation of Electic Machine, Convete and Sytem - Electimac 005, Apil 17-0, 005, Hammamet, Tuniia. [16] B. Robyn, A. Anel, A. Davigny, C. Saudemont, G. Cimuca, M.M. Radulecu, J-M. Gave, Appot du tockage de l'énegie à l'intégation de éolienne dan le éeaux. électique. Contibution aux evice ytème, Revue de l'electicité et de l'electonique REE, No. 5, May 005, ISSN , Fance, pp [17] C. Saudemont, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Gid Connected o Stand-Alone Real-Time Vaiable Speed Wind Geneato Emulato Aociated to a Flywheel Enegy Stoage Sytem, Poc. Of the 11 th Euopean Confeence on Powe Electonic and Application - EPE 005, Septembe 005, Deden, Gemany. [18] G. Cimuca, S. Beban, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Enegy-Optimized Diect Toque Contol of an Induction Machine-baed Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Poc of the 6 th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem - ELECTROMOTION 005, 7-9 Septembe 005, Lauanne, Switzeland. [19] G. Cimuca, C. Saudemont, M.M. Radulecu, B. Robyn, Contol and Pefomance Evaluation of a Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Pape accepted fo publication in the IEEE Tanaction on Indutial Electonic Special Section: RENEWABLE ENERGY AND DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS. 116

128 Toiième patie BANC D ESSAI ET RESULTATS EXPERIMENTAUX Réumé Cette patie pote u le eai concenant le SISE aocié au généateu éolien. Une platefome expéimentale a été éaliée afin de tete le pincipe étudié en théoie. Le éultat expéimentaux péenté concenent le eai fait pou détemine le pefomance énegétique du SISE et pou implante le tatégie de contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien. Le eai ont monté que: (i) le endement du SISE et imilaie au endement de batteie électochimique, (ii) le SISE et capable de lie la puiance généée pa le généateu éolien et (iii) l enemble SISE + généateu éolien et capable de founi de la puiance éactive.

129 Chapite 7 Péentation du banc d eai 118

130 Chapite 7 Péentation du banc d eai Chapite 7 Péentation du banc d eai Réumé Ce chapite péente la platefome expéimentale développée pou l étude d un SISE aocié à un généateu éolien. On décit le compoante pincipale du banc d eai et on met en évidence quelque poblème technique uvenu lo de a éaliation. 119

131 Chapite 7 Péentation du banc d eai 7.1. Deciption du banc d eai ETE MSAP CAR DS 1104 DS 1103 Légende Meue Contôle MCC MSAP Filte Réeau MAS Chage iolée DS 1104 SISE Fig. 7.1 Schéma bloc de la platefome expéimentale Lo de la péiode d élaboation de cette thèe de doctoat, une patie impotante du temp a été dépenée pou développe une platefome expéimentale detinée à l étude d un généateu éolien à vitee vaiable aocié avec un SISE. Cette platefome, dont le chéma bloc et péenté dan la figue 7.1, compote quate patie: Emulateu de tubine éolienne (ETE) ; Machine ynchone à aimant pemanent (MSAP) utiliée comme généateu éolien ; Sytème inetiel de tockage d énegie (SISE) Connexion au éeau (CAR) 30 V de l enemble généateu éolien + SISE. Tou le convetieu électonique de puiance ont fabiqué pa SEMIKRON et contuit autou de module IGBT SKM 50 GB 13 D (100 V / 50 A). PC: Le banc d eai et contôlé pa l intemédiaie de toi cate dspace intégée dan toi odinateu Une cate DS 1103 contenant un micopoceeu Motoola PowePC 604e (400 MHz) et un DSP de Texa Intument TMS 30F40 (0 MHz). Deux cate DS 1104 contenant un micopoceeu Motoola PowePC 603e (50 MHz) et un DSP de Texa Intument TMS 30F40 (0 MHz). Le liaion ente le cate dspace et le convetieu électonique de puiance ont faite pa quate inteface dont le ôle et d adapte le niveaux de tenion. Le bonie de cate dspace tavaillent dan le domaine ± 5 V tandi que le cicuit de commande de convetieu tavaillent dan le domaine ± 15 V. Le inteface, et le boîte de meue aui, ont éaliée u un modèle unique, offant aini un apect modulaie du banc d eai. 10

132 Chapite 7 Péentation du banc d eai Chage iolée CAR Conv MSAP MCC Volant MAS Fig. 7. Photo du banc d eai Convetieu électonique de puiance Inteface Souce de tenion Boîte de meue Bonie dspace DS 1104 Fig. 7.3 Détail u un de quate module du banc 11

133 Chapite 7 Péentation du banc d eai DS 1103 DS 1104 (ETE) DS 1104 (SISE) Fig. 7.4 Photo de toi odinateu intégant le cate dspace Le figue péentent le banc du banc d eai. La contuction du banc d eai a commencé au pintemp 001 et pluieu équipe d étudiant en pojet de fin d étude ont paticipé à on développement, utout pou la éaliation de câblage et de difféente boîte de meue ou d inteface. Le tavail de cette thèe de doctoat a concené pécialement u deux module du banc d eai: MSAP, pou implante le contôle vectoiel. SISE, pou implante le contôle et la upeviion. C et toujou l auteu de cette thèe qui a éalié le aemblement final de quate module du banc afin qu il fonctionnent enemble. Le module ETE et CAR ont été éalié dan le cade d une aute thèe de doctoat, déoulée en paallèle [1]. La platefome expéimentale a été éaliée dan le Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance (LEP) de Lille, dan le bâtiment de l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille, Fance, où l auteu de cette thèe a effectué cinq tage de doctoat en cotutelle L émulateu de tubine éolienne (ETE) La bae de cet émulateu et une Machine à Couant Continu (MCC) de 3 kw, 1500 T.min -1, alimentée pa un convetieu à MLI (Conv.4): l induit de la machine pa deux ba du convetieu (hacheu quate quadant) et l excitation pa le toiième ba. Ce denie point a on impotance, ca loque le banc ea amené à tavaille à puiance nominale, il ea néceaie de éduie l excitation de la MCC afin de lui faie atteinde de vitee poche de 3000 T.min -1, vitee de fonctionnement nominal de la machine ynchone. 1

134 Chapite 7 Péentation du banc d eai La commande de cet enemble et auée pa une cate DS Une inteface de commande et placée ente cette cate et le dive de IGBT, afin d adapte le ignaux péenté ou eçu de ogane de commande (ode de commutation et ignaux d eeu) et de éalie de façon matéielle le ode complémentaie de commutation de inteupteu. Une inteface de meue compoée d un capteu de tenion et de toi capteu de couant LEM TM pemet le elevé néceaie à la commande de la machine. Enfin, une meue de vitee et éaliée gâce à un codeu incémental implanté u la MSAP, connecté à un pot dédié u la cate DS Le généateu ynchone à aimant pemanent (GSAP) Le GSAP (,83 kw / 3000 T.min -1 ) compote toi paie de pôle. Il et entaîné mécaniquement pa la MCC émulant la tubine éolienne. L énegie qu elle founit et envoyée ve le bu de tenion continue de 400 V, contitué de condenateu aocié en éie et en paallèle, offant une capacité équivalente de 00 µf et une tenion maximale de 800 V. Ce tanit de puiance et éalié via un convetieu MLI commandé pa la cate DS Un codeu incémental et néceaie à la captue de la vitee de la généatice. Celui-ci et diectement connecté à un lot dédié u le bonie d extenion de la cate DS Pou plu de détail u le GSAP du banc d eai il faut conulte l Annexe A.6. Le code de la machine et SMV 14 UMB Le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE) Le SISE et contitué d une Machine Aynchone (MAS) de 3kW, 1500 T.min -1 eliée au bu de tenion continue 400V pa un convetieu MLI. Ce denie et contôlé pa une cate DS La meue de vitee et effectuée gâce à un codeu incémental connecté à une entée dédiée u le bonie d extenion de la cate DS Cette MAS entaîne un volant d inetie de 40 kg, 0, kg.m, pouvant toune à une vitee maximale de 3000 T.min La connexion au éeau (CAR) Cet enemble de poduction d énegie et connecté au éeau tiphaé 30 V du laboatoie via un convetieu MLI et un tanfomateu, ente lequel inèe un filte tiphaé. A ce jou, celui-ci et de type L, contitué de toi inductance de 3 mh chacune. Il et pévu de lui ubtitue, à teme, un filte de type LC, pou deux aion: la pemièe étant d aue une cetaine qualité d énegie envoyée au éeau, et donc de ecoui au filtage d hamonique généé pa le convetieu MLI ; la econde étant de pemette à ce banc de débite u une chage iolée, ce qui impoe à cette plate-fome de fonctionne en généateu de tenion, capable d aue l amplitude et la féquence de la tenion founie. 13

135 Chapite 7 Péentation du banc d eai 7.. Le GSAP Le tavail effectué u la patie GSAP du banc d eai peut ête divié en toi patie: Détemination de paamète du GSAP ; Réolution de poblème lié à l index de l encodeu incémental ; Implantation du contôle vectoiel pou le GSAP Détemination de paamète du GSAP Tableau 7.1 Paamète déteminé pou le GSAP Pintemp 003 Pintemp 004 Réitance tatoique R : 0,895 Ω 0,944 Ω Inductance diecte L d : 1,16 mh 14,44 mh Inductance tanveale L q : 1,30 mh 5,06 mh Coefficient de la foce électomotice K e : 0,94 V..d -1 0,78 V..d -1 Deux détemination de paamète du GSAP ont été faite et le éultat ont donné dan le Tableau 7.1. On voit que, duant une année, le paamète de la machine ont vaié d une façon ignificative, utout le coefficient de la foce électomotice. L affaibliement du flux de aimant pemanent peut explique pa l influence de la MLI et pa cetain choc de couant uvenu duant le expéimente Réolution de poblème lié à l index de l encodeu incémental index u ab q E v a ω 17 ψ m d v c v b Fig. 7.5 Explication gaphique pou la poition de l index 14

136 Chapite 7 Péentation du banc d eai Pou la commande vectoielle de la MSAP, on utilie le modèle dq oienté avec le flux otoique. Lo de eai, on a contaté que l index de l encodeu de la machine n et pa oienté avec l axe de aimant pemanent. La machine étant connectée en étoile an avoi accè au neute, la eule olution a été de viualie u un ocillocope la poition de l index pa appot à la tenion compoée u ab. La figue 7.5 monte la poition de l index de l encodeu pa appot aux tenion et au flux otoique, ψ m, pou le ca où la MSAP toune à vide et dan le en diect. On voit que, pou touve la poition du flux otoique et de l axe d, il faut etie 17 de la poition meuée lo de la détection de l index Implantation du contôle vectoiel pou le GSAP i d ef i d ef v d v q Découplage v d v q dq abc v abc * Conv. 1 i d i q dq abc θ MSAP Fig. 7.6 Schéma de contôle vectoiel du GSAP Pendant le eai effectué u le banc, on a obevé de vaiation butale u le couant de la machine. Ce vaiation aivaient dan le même intant u tou le couant et péiodiquement. Apè pluieu eai, on a conclu que ce poblème ont dépendant de la féquence MLI, mai on n a pa éui à en explique la caue. Toutefoi, apè de eai, on a contaté que le vaiation de couant ont plu fot i la péiode d échantillonnage et un multiple de la péiode MLI. De plu, on a obevé que pou d aute féquence MLI, le vaiation ont beaucoup plu petite, même inobevable. Pa conéquent, on a fait pluieu eai pou touve la valeu de la féquence MLI qui donne de éultat atifaiant. La péiode d échantillonnage étant fixée à 50 µ, on a touvé expéimentalement qu une MLI à 9,5 khz donne de éultat atifaiant. C et pouquoi on a adopté cette féquence. Le figue péentée enuite illutent l effet de la valeu de féquence MLI u le couant de la machine. 15

137 Chapite 7 Péentation du banc d eai Fig. 7.7 Eai avec une féquence MLI à 8 khz Fig. 7.8 Eai avec une féquence MLI à 9,5 khz 16

138 Chapite 7 Péentation du banc d eai 7.3. Poblème de compatibilité électomagnétique Dû à la complexité du banc d eai, de évèe poblème de compatibilité électomagnétique ont appau. Pou élimine ce poblème, toi voie ont été conidéée: Réaangement de boîte et de câble. Toute le étagèe et le boîte ont été mie à la même mae. Mie de feite u le câble. Quelque câble néceitèent pluieu feite pou éduie l effet petubateu d une manièe atifaiante (Fig. 7.9). La dipoition finale de compoante du banc d eai et celle de la figue 7.. Fig. 7.9 Quelque exemple de placement de feite 17

139 Chapite 7 Péentation du banc d eai 7.4. Communication ente le cate dspace DS 1103 et DS 1104 Pou éalie la upeviion du SISE, il faut avoi une infomation u la puiance généée pa la MSAP. De l aute coté, le upevieu doit tanmette à la CAR la valeu de la puiance églée, ca c et la conigne de la puiance envoyée au éeau. Comme la MSAP et la CAR ont contôlée pa la cate DS 1103 et le SISE pa la DS 1104, une communication bidiectionnelle doit e faie ente le deux cate dspace. Il y a pluieu poibilité pou faie la communication ente le deux cate dspace en utiliant le otie et le entée numéique de celle-ci. Cependant, dan note ca, la plu imple et efficace olution et avéée ête la communication analogique. Cela pace que il y avait de convetieu analogique / numéique (ADC) et numéique / analogique (DAC) non utilié u le deux cate. Pa conéquent, un ADC et un DAC de chaque cate dspace ont été éevé pou cette communication. Le chéma de connexion et monté dan la figue DAC P eol ADC DS 1103 DS 1104 ADC P egl DAC Fig Réaliation de la communication ente le cate DS 1103 et DS Concluion Dan ce chapite, on péente la platefome expéimentale éaliée pou implante le pincipe développé en théoie. Quelque poblème technologique, enconté duant la éaliation du banc d eai, ont mi en évidence avec le olution adoptée Réféence [1] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe

140 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE Réumé De eai ont été éalié pou véifie le éultat de imulation péenté dan le chapite 4. Ce chapite péente le éultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE avec MAS et du SISE avec MSAP. Dan le ca du SISE avec MAS, on a fait de eai avec le contôle vectoiel et le DTC pou la MAS. Le éultat expéimentaux montent de endement imilaie dan le deux ca. Pou le SISE avec MSAP on a utilié eulement le contôle vectoiel, mai on a étudié le compotement à i d = 0 et à facteu de puiance unitaie pou la MSAP. Le éultat expéimentaux ont monté une fote dégadation du endement dan le ca de fonctionnement à facteu de puiance unitaie de la MSAP. Le SISE avec MSAP fonctionnant à i d = 0 a un endement meilleu que le SISE avec MAS. Le deux type de SISE péente de endement imilaie aux endement de batteie électochimique. 19

141 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE 8.1. Rendement du SISE avec MAS et le contôle vectoiel Convete 1 Convete Netwok Flywheel IM DS 1103 Fig. 8.1 Schéma bloc utilié pou la détemination expéimentale du endement du SISE Afin de détemine expéimentalement le endement du SISE avec MAS, on a utilié le chéma péenté dan la figue 8.1. Lo de cet eai, l échange d énegie et fait ente le SISE et le éeau pa l intemédiaie de deux convetieu électonique de puiance et du bu continu. Le eai ont toi objectif: Détemination du endement de la MAS pou le deux égime de fonctionnement; Détemination du endement du convetieu électonique de puiance; Détemination du endement du SISE. Contol of the netwok convete Convete Voltage contolle V DC ef Φ ef Φ * i q ef compute Flux contolle Flux etimato i q ef i d ef Cuent contolle v q v d Decoupling ytem v q v d dq abc v abc Convete 1 i q dq i a i b Refeence-flux compute FOC i d abc i c Flywheel MAS Ω Fig. 8. Schéma de contôle pou la MAS et pou le convetieu coté éeau 130

142 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE La figue 8. monte le chéma de contôle lo de eai effectué pou la détemination de endement. On a utilié un elai à hytééi pou impoe le igne de la conigne du couant i q de la MAS: Loque la vitee de la MAS aive à 3000 T/min, la otie du elai et fixe à -1. Cela impoea une conigne négative pou le couant i q, donc la MAS fonctionnea en égime généateu en feinant le volant d inetie. Loque la vitee de la MAS aive à 1500 T/min, la otie du elai change à 1. Cela impoea une conigne poitive pou le couant i q et la MAS fonctionnea en égime moteu en accéléant le volant d inetie. Le convetieu coté éeau a le ôle de égule le bu continu et de faie le tanfet de puiance ente celui-ci et le éeau. C et pouquoi, une infomation u la puiance de éféence de la MAS et donnée au bloc de contôle du convetieu coté éeau (la puiance de éféence et calculée à pati de éféence de couant et de tenion dan le ytème dq). A pati de la elation (3.5), la conigne du couant i q et déteminée pa P L i q ef =, (8.1) p M * IM 1 * Φ ef ΩIM où: P IM et Ω IM ont la puiance et la vitee de la MAS. Cette expeion a pou but d impoe un fonctionnement à puiance contante pou la MAS, puiance donnée pa le teme P IM. Efficiency (%) IM peed (pm) Convete IM Efficiency (%) IM peed (pm) Convete IM Time () Fig Rendement expéimental du SISE pou P = 3000 W Time () Fig Rendement expéimental du SISE pou P = 3700 W Pou la détemination de endement on a utilié la méthode de énegie (voi le ou-chapite 4.4). Cependant, la meue du couant dan le bu continu étant tè difficile, on a pu meue eulement la puiance aux bone de la MAS et la puiance aux bone tiphaée du convetieu coté éeau. Donc, il a été poible de détemine le endement de la MAS et le endement de l enemble Convetieu 1 + bu continu + Convetieu. L enemble de deux convetieu et du bu continu ea appelé enuite «convetieu». Le éultat expéimentaux ont donné dan le figue 8.3 et 8.4. La MAS fonctionne toujou en égime défluxé. Lo de eai on a obevé que la valeu de la puiance P dan l expeion (3.5) influence le endement du SISE. C et-à-die, la valeu du flux dan la MAS influence le endement du ytème. Le figue 8.3 et 8.4 péentent le endement de la MAS et du convetieu pou deux ca. 131

143 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE Enegy (J) Réeau Volant Time () Fig. 8.5 Enegie meuée aux bone du éeau et énegie du volant d inetie Pemièement, dan la fomule de défluxage on a intoduit eulement la puiance nominale de la MAS (3 kw). Le endement de la MAS a été de 81% pou le égime moteu et 7% pou le égime généateu. Le endement du convetieu a été de 95% loque la MAS fonctionnait en moteu et 86% loque la MAS fonctionnait en généateu. Dan le deuxième ca, on a ajouté la valeu de pete à la puiance nominale de la MAS. Alo, le endement de la MAS a été poté à 88% pou le égime moteu et 81% pou le égime généateu. Le endement du convetieu a été de 91% loque la MAS fonctionnait en moteu et 9% loque la MAS fonctionnait en généateu. On voit donc une augmentation notable du endement dan le deuxième ca. Cela peut explique pa le appoximation faite dan l expeion (3.4), où on néglige le pete dan la MAS. En conidéant ce ca, le endement du SISE pou un CCD et de 71,3% aux bone de la MAS et de 59,7% aux bone du éeau. La figue 8.5 monte le enveloppe de énegie aux bone du éeau et dan le volant d inetie lo de quelque CCD. On voit donc un fot affaibliement du endement au tave du convetieu. Cela peut explique pa le pete dan le convetieu électonique de puiance et dan le bu continu. Lo de eai, on a contaté que le pete dan le bu continu étaient aez impotante et bien dépendante de la féquence MLI et de la capacité du condenateu. Cependant, une etimation exacte de ce pete n a pa été faite pace que, dan le ca de l aociation du SISE avec le généateu éolien, il n y a que le Convetieu 1 qui ete (Fig. 5.4). Il faut encoe mentionne que la MAS n a pa fonctionné à la puiance nominale. Cela pace que, lo du changement du égime de fonctionnement de la machine, elle ubit une vaiation tè butale de puiance. Pa exemple, i la machine fonctionne en égime moteu à puiance contante égale à 1500 W et elle pae en égime généateu, a puiance change buquement à W et on a un aut de puiance de 3 kw qui povoque de petubation dan le bu continu. C et pouquoi la puiance maximale de la MAS, lo de ce eai, a été autou de 1700 W. Pou de puiance upéieue, la égulation du bu continu ne peut plu aue le contôle de la tenion de bu continu. Cependant, i la MAS fonctionnait à la puiance nominale (3 kw), le endement du SISE eait upéieu à la valeu de 71,3%, obtenue u le banc d eai. On peut conclue donc, que le endement du SISE avec MAS et compaable au endement de batteie électochimique [1]. Le féquence MLI de deux convetieu électonique de puiance étaient de 8 khz. 13

144 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE 8.. Rendement du SISE avec MAS et le DTC Dan ce ca, on a utilié le même pincipe que pou le ca du contôle vectoiel. Le pefomance énegétique du SISE avec MAS et DTC ont imilaie aux pefomance obtenue avec le contôle vectoiel. Le Tableau 8.1 péente le endement obtenu u le banc d eai uite à l optimiation du DTC pou le fonctionnement de la MAS à de puiance faible. La figue 8.6 péente le même éultat, mai de manièe gaphique. On obeve pou le DTC optimié une augmentation en endement de 18% loque la MAS fonctionne à 500 W. Cela véifie le etimation faite pa imulation (voi le ou-chapite 6..5). Pou le aion mentionnée dan le ou-chapite pécédent, la puiance maximale de la MAS lo le eai a été de 1,75 kw. La figue 8.7 monte le énegie meuée aux bone de la MAS lo du fonctionnement à 500 W. Tableau 8.1 Rendement obtenu u le banc d eai pou un CCD du SISE DTC Puiance de la MAS 0.5 kw 0.8 kw 1 kw 1.5 kw 1.5 kw 1.75 kw Claique Optimié DTC claique DTC optimié Fig. 8.6 Rendement expéimentaux de la MAS pou le DTC claique et le DTC optimié DTC claique DTC optimié Chagement Déchagement Fig. 8.7 Enegie meuée aux bone de la MAS lo du fonctionnement à 500 W 133

145 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE 8.3. Rendement du SISE avec MSAP et le contôle vectoiel La MSAP péentée dan le chapite 7 a été couplée avec le volant d inetie du banc d eai et de eai ont été éalié afin de détemine le pefomance d un SISE avec MSAP. Le eai ont été fait pou deux ca de contôle de la MSAP. Pemièement, on a déteminé le endement du SISE avec MSAP pou le ca où le couant i d dan la MSAP et maintenu à zéo. Dan le deuxième ca, on a implanté le contôle à facteu de puiance unitaie de la MSAP (voi le ou-chapite 3.6). Enuite, le éultat expéimentaux de deux eai ont péenté et compaé. Temp () Temp () Fig. 8.8 Vitee du volant pou i d = 0 Fig Vitee du volant pou coφ = 1 i q (A) iq (A) Vitee (T/min) Vitee (T/min) Fig. 8.9 Couant i q de la MSAP pou i d = 0 Temp () Temp () Fig. 8.1 Couant i q de la MSAP pou coφ = 1 id (A) i d (A) Fig Couant i d de la MSAP pou i d = 0 Temp () Temp () Fig Couant i d de la MSAP pou coφ = 1 134

146 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE P P P (W) et Q (VAR) Q P (W) et Q (VAR) Q Temp () Fig Puiance de la MSAP pou i d = 0 Temp () Fig Puiance de la MSAP pou coφ = 1 E P E P EP (J) et EQ (VARh) E P (J) et E Q (VARh) E Q E Q Temp () Fig Enegie meuée aux bone de la MSAP pou i d = 0 Temp () Fig Enegie meuée aux bone de la MSAP pou coφ = 1 Le figue péentent le éultat expéimentaux pou le deux ca de contôle de la MSAP. Comme dan le ca du SISE avec MAS, on a fait de CCD ente 1500 et 3000 T/min afin de détemine le endement du SISE avec MSAP. Cependant, le fonctionnement à puiance contante de la MSAP n a pa été pi en compte, ca a vitee de bae et égale à la vitee maximale du volant d inetie. Donc, la MSAP fonctionne toujou à puiance vaiable, en deou de la vitee de bae. Le éultat expéimentaux ont monté que le endement de la MSAP et fotement dégadé loqu elle fonctionne à facteu de puiance unitaie. Le Tableau 8. donne le endement de la MSAP lo de deux égime de fonctionnement (moteu et généateu) et le endement du SISE u un CCD. Le éultat expéimentaux ont montent que le SISE avec MSAP et contôle à i d = 0 a un endement upéieu pa appot au SISE avec MAS. Le féquence MLI de deux convetieu électonique de puiance étaient de 9,5 khz. Tableau 8. Rendement du SISE avec MSAP i d = 0 coφ = 1 E c (J) E d (J) moteu % généateu % CCD %

147 8.4. Concluion Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE Ce chapite péente le éultat de eai fait pou détemine le endement de SISE. Deux type de SISE ont été conidéé: SISE avec machine aynchone à cage (MAS) et SISE avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). Pemièement, on monte le eai mené pou détemine le endement du SISE avec MAS et le contôle vectoiel. Il et également monté l'influence de la loi de défluxage de la MAS u on endement. La deuxième patie du chapite péente le eai fait pou la détemination du endement du SISE avec MAS et le contôle diect en couple (DTC). Il montent un endement imilaie au endement obtenu avec le contôle vectoiel. Le éultat expéimentaux ont validé aui la méthode d optimiation énegétique du DTC. La denièe patie du chapite pote u la détemination expéimentale du endement du SISE avec MSAP. On a utilié le contôle vectoiel et le éultat expéimentaux montent un endement upéieu pa appot aux endement obtenu avec la MAS. Le éultat expéimentaux montent que le endement du SISE et compaable au endement de batteie électochimique. Le éultat péenté dan ce chapite ont été publié dan cinq aticle: [] [6] Réféence [1] A. Maquet, C. Levillain, A. Daviu, S. Lauent, Ph. Jaud, Stockage d électicité dan le ytème électique, Technique de l ingénieu, taite Génie électique, D [] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Pefomance analyi of an induction machine-baed flywheel enegy toage ytem aociated to a vaiable-peed wind geneato, Poceeding of the 9 th Intenational Confeence on Optimization of Electical and Electonic Equipment - OPTIM 004, Baov, Romania, 0- May 004. [3] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Loe and efficiency of a flywheel enegy toage ytem with pemanent-magnet ynchonou machine aociated to a vaiable-peed wind geneato, Poceeding of the 16th Intenational Confeence on Electical Machine, Cacow, Poland, 5-8 Septembe 004. [4] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, Compaative Study of Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to Wind Geneato, Poceeding of the Intenational Confeence on Applied and Theoetical Electicity - ICATE 004, Baile-Heculane, Romania, Oct 004. [5] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, S. Beban, Enegy-Optimized Diect Toque Contol of an Induction Machine-baed Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable- Speed Wind Geneato, Poc of the 6 th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem - ELECTROMOTION 005, 7-9 Septembe 005, Lauanne, Switzeland. [6] G. Cimuca, C. Saudemont, M.M. Radulecu, B. Robyn, Contol and Pefomance Evaluation of a Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Pape accepted fo publication in the IEEE Tanaction on Indutial Electonic Special Section: RENEWABLE ENERGY AND DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS. 136

148 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Réumé Ce chapite monte le éultat de eai effectué pou valide le pincipe de contôle et de upeviion popoé dan le chapite 6. Au début du chapite on monte la puiance débitée au éeau pa un généateu éolien à puiance vaiable en abence du SISE. Enuite, on péenté le démaage du SISE aocié avec le généateu éolien. Le chapite continue en péentant le éultat expéimentaux avec le contôle en couple du SISE et avec deux type de upevieu: le upevieu à puiance liée et le upevieu à puiance contante. Aui, on péente le éultat obtenu avec le deux méthode de contôle pou la MAS du SISE: le contôle vectoiel et le DTC. Le eai ont monté que le upevieu à puiance contante néceite une inetie plu gande pa appot au upevieu à puiance liée. On obevé aui que la valeu moyenne de la puiance envoyée au éeau et plu gande dan le ca du DTC pou la MAS. Le eai ont monté aui que l enemble SISE + généateu éolien peut founi de la puiance éactive. 137

149 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 9.1. Intoduction Le pincipe de contôle et upeviion du SISE, péenté au chapite 6, ont été implanté u le banc d eai afin de valide le éultat obtenu pa imulation. Le éultat expéimentaux eont péenté en paallèle pou le deux type de upevieu. Le figue montent le éultat expéimentaux obtenu avec le généateu éolien eul. Le généateu toune a vitee vaiable et génèe une puiance vaiable, en fonction de la vitee du vent. La figue 9.3 monte la puiance founie au éeau pa le généateu éolien, en abence d un ytème de tockage d énegie. Fig. 9.1 Vitee du vent meuée u le ite de Dunkeque (nod de la Fance) la meue a été faite u 150 Fig. 9. Vitee du généateu éolien Fig. 9.3 Puiance founie au éeau en abence de tockage 138

150 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 9.. Démaage du SISE aocié au généateu éolien Fig. 9.4 Vitee du généateu éolien Fig. 9.5 Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig. 9.6 Tenion du bu continu Fig. 9.7 Puiance active délivée au éeau t t 3 t 3 t 3 t 1 t 3 t t 3 Fig. 9.8 Puiance de la MAS Fig. 9.9 Vitee du volant d inetie Ici on péente quelque coube pie lo du démaage du SISE. Au début, le généateu éolien tounant à vitee vaiable (Fig. 9.4) génèe de l énegie (Fig. 9.5) et chage le condenateu du bu continu. Le condenateu et chagé à 410 V (Fig. 9.6) et le ete de l énegie généée et diipé u une éitance de chage pa l aide d un hacheu (Fig. 5.4). Pendant ce temp, la puiance de églage et nulle (Fig. 9.5) et le éeau ne eçoit aucune puiance (Fig. 9.7). A l intant t 1 on fluxe la MAS et à l intant t on démae le volant d inetie (Fig. 9.8 et 9.9). La MAS pend une patie de l énegie généée et accélèe le volant d inetie juqu à 000 T/min. On impoe une puiance éduite pou la MAS afin qu elle ne déchage pa le condenateu du bu continu. Dè que le volant aive à 000 T/min, on met en mache le contôle et la upeviion du SISE (cela e poduit à l intant t 3 u le figue). Enuite, le SISE tient on ôle en égulant la tenion du bu continu à 400 V (Fig. 9.6, apè l intant t 3 ) et la puiance envoyée au éeau (Fig. 9.5 et 9.7). On voit u la figue 9.8 que la puiance maximale de la MAS et d envion 1 kw, mai la puiance moyenne e touve autou de 500 W. Comme la puiance nominale de la MAS et de 3 kw, elle fonctionne donc bien déchagée. C et pouquoi le pete dan le SISE ont tè gande pa appot à la puiance généée et la puiance envoyée au éeau et plu petite que la moyenne de l énegie généée. Cela e voit bien u la figue 9.5, on compaant la puiance généée et la puiance de églage. Apè le etimation faite duant le eai, envion 300 W ont pedu dan la MAS et au tave du bu continu. Le upevieu agit pou mainteni la vitee du volant ente 800 et 3000 T/min. Comme l inetie du volant et aez faible, on a choii cette plage de vitee pou pouvoi exploite au maximum la capacité de tockage. On voit que la vitee du volant balaie apidement toute la plage de vitee (Fig. 9.9). 139

151 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 9.3. Réultat expéimentaux concenant le contôle vectoiel de la MAS Eai an puiance éactive aux bone du éeau Fig Vitee du généateu éolien Fig Vitee du généateu éolien Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig. 9.1 Puiance active délivée au éeau Fig Puiance active délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance de la MAS Fig. 9.0 Puiance de la MAS Fig Vitee du volant d inetie Fig. 9.1 Vitee du volant d inetie 140

152 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Le figue montent le éultat expéimentaux obtenu avec le deux type de upevieu, dan le ca du contôle vectoiel pou la MAS. Su la colonne de gauche e touvent le éultat obtenu avec le upevieu à puiance liée (voi le ou-chapite 6.3.1). Le éultat obtenu avec le upevieu à puiance contante (voi le ou-chapite 6.3.) ont donné u la colonne de doite. En egadant la puiance de la MAS (Fig et 9.0), on voit qu une puiance de 800 W pou la MAS eait tout à fait uffiante pou le condition exitante u le banc d eai. Dan ce condition, et i on choiit 30 pou la contante de temp du filte du upevieu, une inetie de 0,5 kg m devait ête pévue pou le volant (voi l expeion 6.16). Cependant, l inetie du volant exitant u le banc d eai et de 0, kg m. C et pouquoi le capacité de égulation du SISE ont aez éduite. Toutefoi, le éultat expéimentaux ont monté que le pincipe de contôle et upeviion développé en théoie peuvent ête implanté dan un chéma patique. Le SISE égule la tenion du bu continu d une manièe tè atifaiante, aini que la puiance délivée au éeau. Le upevieu à puiance liée pemet le liage de la puiance envoyée au éeau. Le upevieu à puiance contante pemet d envoye de tonçon de puiance contante. Le eai montent également que le upevieu à puiance liée et plu efficace avec une petite inetie, pa appot au upevieu à puiance contante. Le deuxième upevieu a beoin de capacité de tockage plu généeue. La péiode d échantillonnage était de 50 µ et la féquence MLI du convetieu électonique de puiance du SISE de 9,5 khz. 141

153 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Eai avec puiance éactive aux bone du éeau Fig. 9. Vitee du généateu éolien Fig. 9.8 Vitee du généateu éolien Fig. 9.3 Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig. 9.9 Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig. 9.4 Puiance active délivée au éeau Fig Puiance active délivée au éeau Fig. 9.5 Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig. 9.6 Puiance de la MAS Fig. 9.3 Puiance de la MAS Fig. 9.7 Vitee du volant d inetie Fig Vitee du volant d inetie 14

154 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Le figue montent le éultat expéimentaux obtenu avec le deux type de upevieu, dan le ca du contôle vectoiel pou la MAS. Su la colonne de gauche il y a le éultat obtenu avec le upevieu à puiance liée (voi le ou-chapite 6.3.1). Le éultat obtenu avec le upevieu à puiance contante (voi le ou-chapite 6.3.) ont donné u la colonne de doite. Dan ce ca, le convetieu coté éeau et contôlé afin d envoye aui de la puiance éactive. Quoique, dan la théoie, la puiance éactive coté éeau ne doive pa influence le fonctionnement du SISE, (ca à tave le bu continu il n y a que de la puiance active), le eai ont monté le contaie. Duant le eai, on a contaté que le pete dan le bu continu et dan le convetieu coté éeau augmentent en fonction de la puiance éactive. Pa conéquent, une compenation doit ête faite u la puiance églée afin d élimine l effet de pete upplémentaie engendée pa l échange de puiance éactive. Donc, i on envoie de la puiance éactive, il faut diminue la puiance active. Sinon, on enveait top de puiance active au éeau et la vitee du volant aiveait à la limite inféieue de fonctionnement, ce qui empêche le SISE de égule la tenion de bu continu. La péiode d échantillonnage était de 50 µ et la féquence MLI du convetieu électonique de puiance du SISE de 9,5 khz. 143

155 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 9.4. Réultat expéimentaux concenant le DTC de la MAS Eai an puiance éactive aux bone du éeau Fig Vitee du généateu éolien Fig Vitee du généateu éolien Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig Puiance active délivée au éeau Fig. 9.4 Puiance active délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance de la MAS Fig Puiance de la MAS Fig Vitee du volant d inetie Fig Vitee du volant d inetie 144

156 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Le figue montent le éultat expéimentaux obtenu avec le deux type de upevieu, dan le ca du DTC pou la MAS. Su la colonne de gauche il y a le éultat obtenu avec le upevieu à puiance liée (voi le ou-chapite 6.3.1). Le éultat obtenu avec le upevieu à puiance contante (voi le ou-chapite 6.3.) ont donné u la colonne de doite. Le eai ont validé le éultat de imulation concenant l application du DTC pou la MAS du SISE. De plu, il ont monté un meilleu endement pou le SISE, mai cela ea taité dan un de ou-chapite uivant. L utiliation du DTC a pemi la éduction de la péiode d échantillonnage à 15 µ, ce qui impoe la féquence maximale de commutation de tanito du l onduleu à 8 khz. Comme la cate dspace et un ytème dicet, le compaateu à hytééi (de flux et de couple) tavaillent aui dan le domaine dicet. En impoant de bande d hytééi tè étoite, il y aua une commutation u chaque péiode d échantillonnage. Donc, le DTC fonctionne à féquence de commutation contante, fixée pa la péiode d échantillonnage de la cate dspace. Le pincipe de fonctionnement du compaateu dicet à hytééi et donné dan la figue 9.46 [1] [3]. S / H 1/T C ef + B T / C ef C ef B T / T T T Fig Pincipe de fonctionnement du compaateu dicet à hytééi 145

157 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Eai avec puiance éactive aux bone du éeau Fig Vitee du généateu éolien Fig Vitee du généateu éolien Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée) Fig Puiance active délivée au éeau Fig Puiance active délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance éactive délivée au éeau Fig Puiance de la MAS Fig Puiance de la MAS Fig. 9.5 Vitee du volant d inetie Fig Vitee du volant d inetie 146

158 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien Le figue montent le éultat expéimentaux obtenu avec le deux type de upevieu, dan le ca du DTC pou la MAS. Su la colonne de gauche il y a le éultat obtenu avec le upevieu à puiance liée (voi le ou-chapite 6.3.1). Le éultat obtenu avec le upevieu à puiance contante (voi le ou-chapite 6.3.) ont donné u la colonne de doite. Le éultat expéimentaux ont imilaie aux ceux obtenu avec le contôle vectoiel (Fig ). Le même poblème concenant l augmentation de pete en fonction de la puiance éactive ont été contaté Compaaion du contôle vectoiel et du DTC dan le ca du SISE aocié au généateu éolien Le éultat expéimentaux ont monté un endement meilleu pou le SISE avec le DTC. Cela e voit loqu on compae le puiance églée et le vitee du volant d inetie dan le deux ca et pou le même puiance généée. Le figue pemettent de faie la compaaion ente le deux méthode de contôle. A l intant t 1 on a le même condition pou le deux ca. Enuite, à l intant t on voit que la chute de vitee et plu petite dan le ca du DTC. Dan le même temp, la puiance églée et plu gande que dan le ca du contôle vectoiel. La puiance de églage et la conigne de la puiance envoyée au éeau. t 1 t t 3 t 4 t 5 t 1 t t 3 t 4 t 5 Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée), dan le ca du contôle vectoiel Fig Puiance généée (coube continue) et puiance églée (coube pointillée), dan le ca du DTC Fig Vitee du volant d inetie dan le ca du contôle vectoiel Fig Vitee du volant d inetie, dan le ca du DTC 147

159 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien DTC Contôle vectoiel Fig Puiance envoyée au éeau dan le ca du contôle vectoiel et du DTC La figue 9.50 fait une compaaion ente le puiance envoyée au éeau dan le deux ca (DTC et contôle vectoiel). On voit que, dan le ca du DTC, la puiance moyenne envoyée au éeau et plu gande. Cependant, dan le imulation on a obtenu le contaie []. Cela peut explique pa une mauvaie etimation de paamète de la MAS. Le contôle vectoiel et plu enible à ce gene d eeu que le DTC. Dan le imulation on a eu le ca idéal, en uppoant que tou le paamète de la MAS ont bien connu. Bien û, le contôle vectoiel peut ête amélioé afin de deveni plu obute, mai cela augmente le temp de calcul et, implicitement, la péiode d échantillonnage u la cate à micopoceeu. Le endement meilleu dan le ca du DTC peut explique aui pa l effet de l optimiation énegétique pou le fonctionnement de la MAS à de puiance faible. Si le pete dan la MAS diminuent, la puiance envoyée au éeau augmente Concluion Ce chapite pote u le eai avec le SISE aocié au généateu éolien. On commence pa la péentation de la puiance débitée u le éeau en l'abence du SISE et on continue avec la péentation de eai fait pou implante le pincipe de contôle et upeviion développé dan le chapite 6. La péentation de étape du démaage du SISE et faite aui au début du chapite. Le éultat expéimentaux concenent eulement le contôle en couple pou le SISE. Cela pace que le contôle en vitee n a pa donné de éultat atifaiant. On a conidéé aui le deux type de upevieu baé u le upevieu à logique floue. Le temp paé en Fance n a pa pemi l implantation du toiième type de upevieu. Le eai ont monté de bon compotement pou le deux méthode de contôle de la MAS (le contôle vectoiel et le DTC). Cependant, en faiant la compaaion, on voit que le DTC a de pefomance meilleue pa appot au contôle vectoiel. Cela peut explique pa la obutee du DTC aux eeu u l etimation de paamète de la MAS et pa l optimiation énegétique du DTC. Aui, le temp de calcul u la cate à micopoceeu et divié pa deux lo de l utiliation du DTC. Le eai ont démonté aui que l enemble généateu éolien + SISE peut founi de la puiance éactive au éeau. Bien u, cela e fait au pix de la diminution de la puiance active, à caue de pete upplémentaie engendée pa l échange de puiance éactive. Le éultat péenté dan ce chapite ont été publié dan huit aticle: [] [9]. 148

160 9.7. Réféence Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien [1] G.S. Buja, M.P. Kazmiekowki, Diect Toque Contol of PWM Invete-Fed AC Moto A Suvey, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, Vol. 51, No. 4, Augut 004. [] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, DTC veu FOC of an IM-baed Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Invited pape at 8 th Intenational Confeence on Modeling and Simulation of Electic Machine, Convete and Sytem - Electimac 005, Apil 17-0, 005, Hammamet, Tuniia. [3] G. Cimuca, M.M. Radulecu, C. Saudemont, B. Robyn, S. Beban, Enegy-Optimized Diect Toque Contol of an Induction Machine-baed Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable- Speed Wind Geneato, Poc of the 6 th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem - ELECTROMOTION 005, 7-9 Septembe 005, Lauanne, Switzeland. [4] L. Leclecq, C. Saudemont, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Flywheel enegy toage ytem to impove the integation of wind geneato into a netwok, Poceeding of the 5th Intenational Sympoium on Advanced Electomechanical Motion Sytem - ELECTROMOTION 003, Vol., Maakeh, Moocco, Novembe 6-8, 003. [5] C. Saudemont, L. Leclecq, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Développement d'un émulateu Temp Réel d'un Sytème de Généation Eolienne Aocié à un Stockage Inetiel d'enegie, Colloque ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR - EF'003, Gif-u-Yvette, Fance, 9 et 10 décembe 003. [6] C. Saudemont, L. Leclecq, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Développement d'un Émulateu Temp Réel d'un Sytème de Généation Eolienne Aocié à un Stockage Inetiel d'enegie, Revue de l Electicite et de l Electonique REE, No. 11, Decembe 004, ISSN , pp , Fance. [7] B. Robyn, A. Anel, A. Davigny, C. Saudemont, G. Cimuca, M.M. Radulecu, J-M. Gave, Appot du tockage de l'énegie à l'intégation de éolienne dan le éeaux. électique. Contibution aux evice ytème, Revue de l'electicité et de l'electonique REE, No. 5, May 005, ISSN , Fance, pp [8] C. Saudemont, B. Robyn, G. Cimuca, M.M. Radulecu, Gid Connected o Stand-Alone Real-Time Vaiable Speed Wind Geneato Emulato Aociated to a Flywheel Enegy Stoage Sytem, Poc. Of the 11 th Euopean Confeence on Powe Electonic and Application - EPE 005, Septembe 005, Deden, Gemany. [9] G. Cimuca, C. Saudemont, M.M. Radulecu, B. Robyn, Contol and Pefomance Evaluation of a Flywheel Enegy Stoage Sytem Aociated to a Vaiable-Speed Wind Geneato, Pape accepted fo publication in the IEEE Tanaction on Indutial Electonic Special Section: RENEWABLE ENERGY AND DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS. 149

161 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 150

162 Concluion généale et pepective Concluion généale et pepective 151

163 Concluion généale et pepective Le pemie but de ce tavail a été de faie une étude appofondie u le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE). Cette étude pote u le poblème concenant le type de SISE, le calcul de volant d inetie, le matéiaux utilié pou la contuction de volant d inetie, le choix de la machine électique intégée dan le SISE et le pefomance énegétique de SISE. L étude a été faite du point de vue de l aociation du SISE avec un généateu éolien. Suite à cette étude, on a conclu que le SISE à volant lent ont appopié pou l aociation avec le généateu éolien. On pale de SISE à volant lent loque la vitee maximale du volant d inetie et autou de T/min. Concenant la machine électique, deux olution ont été etenue: la machine aynchone à cage (MAS) et la machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). Actuellement, la MAS contitue la meilleue olution pou le choix de la machine électique du SISE en aion de e poibilité de fonctionnement à puiance contante u une lage plage de vitee. Cependant, la MSAP et aui utiliée dan le SISE. Le modèle mathématique de ytème étudié ont été péenté. On a commencé avec le modèle de machine électique, en continuant avec le modèle du convetieu électonique de puiance (le modèle dicet et le modèle continu équivalent) et on a fini pa le modèle du bu continu. On péente aui le pincipe de contôle de machine électique. Pou la MAS, on enviage deux type de contôle (le contôle vectoiel et le contôle diect en couple DTC) et pou la MSAP, eulement le contôle vectoiel. Pou la MSAP, on péente aui le pincipe de contôle à facteu de puiance unitaie. Le bilan énegétique de deux type de SISE ont péenté: SISE avec MAS et SISE avec MSAP. Le calcul de pete et fait épaément pou le convetieu électonique de puiance et pou l enemble machine électique + volant d inetie. On a monté aui une méthode pécifique pemettant la détemination imple du endement du SISE lo de deux égime de fonctionnement (chagement ou déchagement du volant d inetie) ou u un cycle chage / déchage. De imulation ont été faite pou etime le pete et le endement énegétique de deux SISE. Le imulation ont monté que le pete dan le convetieu électonique de puiance ont dépendante du facteu de puiance de la machine électique. Si la machine fonctionne à un faible facteu de puiance, le endement du convetieu et dégadé. Aui, le imulation ont monté un endement meilleu pou le SISE avec machine ynchone à aimant pemanent. Comme le tavail théoique et déoulé en paallèle avec le tavail patique, dan le imulation on a utilié le paamète de compoante utiliée pou la contuction de la platefome expéimentale. Le imulation ont monté que le endement énegétique de SISE et compaable au endement de batteie électochimique. Le deuxième objectif de la thèe a été d étudie et de popoe de méthode de contôle et upeviion d un SISE aocié à un généateu éolien à vitee vaiable. Le but et de contôle le tanit de puiance ente le généateu et le éeau ou la chage iolée, afin de ende le ytème éolien capable de founi de evice ytème et de fonctionne en îloté. La olution etenue concene le généateu ynchone à aimant pemanent et le couplage avec le SISE avec MAS pa l intemédiaie d un bu continu. Le SISE et contôlé pa une puiance de éféence calculée en fonction de la puiance généée et de la puiance qu on veut envoye au 15

164 Concluion généale et pepective éeau. Le SISE doit aui égule la tenion du bu continu. Aini, le convetieu coté éeau et utilié eulement pou implante le tatégie de commande pemettant à l enemble généateu éolien + SISE de founi de evice ytème (contôle de le tenion du éeau, contôle de la féquence et contôle de la puiance éactive). Enuite, l étude pote u le méthode de contôle du SISE. Quate ca ont été pi en compte: Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le convetieu coté éeau; Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE; Contôle en couple pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE; Contôle en couple pou le SISE, contôle diect en couple pou la MAS et contôle du bu continu pa le SISE. Le éultat de imulation ont monté que le deux denièe méthode ont meilleue pa appot aux pemièe. Dan le ca de deux denièe méthode, le imulation ont monté de éultat imilaie. Cependant, le contôle diect en couple pemet la diviion pa deux du temp de calcul u la cate à micopoceeu. Dan le ca du DTC, on a développé aui une méthode d amélioation énegétique afin d augmente le endement de la MAS loqu elle fonctionne à de puiance faible; cela aive tè ouvent dan note application. Apè le développement de méthode de contôle du SISE, on et paé au développement de tatégie de upeviion du SISE. Le but et de mainteni la vitee du volant d inetie ente le limite nomale de fonctionnement. A pati d un upevieu à logique floue, deux type de upevieu implifié ont popoé, afin de éduie le temp de calcul lo d'une implantation patique. Le pemie upevieu a pou but de lie la puiance généée. Il et appopié pou l application à de gand généateu débitant u le éeau. Enuite, deux upevieu ont popoé afin de pemette d envoye de tonçon de puiance contante. Leu application et oientée utout ve l alimentation de ite iolé, pou aocie le généateu éolien avec de goupe dieel. Le éultat de imulation montent la fonctionnalité de upevieu popoé. Aui, une dicuion u le choix de l inetie du volant et de la contante de temp pou le filtage de la puiance généée et péentée. On a contaté que le upevieu à puiance contante ont beoin de plu d inetie pa appot au upevieu à puiance liée. Enfin, le toiième objectif a été de éalie une platefome expéimentale pemettant l implantation patique et l expéimentation de pincipe développé en théoie. Cette platefome pemette d expéimente en temp éel le compotement d un généateu éolien à vitee vaiable aocié avec un SISE et débitant u un éeau altenatif. Le pemie eai ont eu pou but de véifie le etimation concenant le pefomance énegétique de SISE étudié. Le éultat expéimentaux ont validé le éultat de imulation: le endement de SISE ont compaable aux endement de batteie électochimique et le SISE avec MSAP et meilleu du point de vue du endement énegétique. 153

165 Concluion généale et pepective Enuite, l aociation du SISE au généateu éolien a été éaliée, et le tatégie de contôle et upeviion du SISE ont été implantée u le banc d eai. Le éultat expéimentaux péenté dan la thèe concenent eulement le contôle en couple pou le SISE. Cela pace que le contôle en vitee n a pa donné de éultat atifaiant. On a conidéé aui le deux type de upevieu baé u le upevieu à logique floue. Le eai ont monté de bon compotement pou le deux méthode de contôle de la MAS (le contôle vectoiel et le DTC). Cependant, en faiant la compaaion, on voit que le DTC a de pefomance meilleue pa appot au contôle vectoiel. Cela peut explique pa la obutee du DTC aux eeu u l etimation de paamète de la MAS et pa l amélioation énegétique du DTC. Dan le imulation, le contôle vectoiel appaaiait plu pefomant, mai là on a conidéé que le paamète de la MAS ont bien connu. Le eai ont démonté aui que l enemble généateu éolien + SISE peut founi de la puiance éactive au éeau. Bien u, cela e fait au pix de la diminution de la puiance active, à caue de pete upplémentaie engendée pa l échange de puiance éactive. Enuite, on péente le contibution oiginale du tavail de thèe de doctoat. Lo de ce tavail, on a développé une démache analytique pou le dimenionnement de volant d inetie detiné aux SISE. On a péenté le modèle de pete d énegie intevenant dan un SISE; ce modèle pemet l etimation du endement énegétique du SISE lo de deux égime de fonctionnement (le chagement ou le déchagement) ou u un cycle chage / déchage. On a appliqué le DTC pou la MAS intégée dan le SISE aocié au généateu éolien; cela poe de poblème nouveaux pa appot aux application claique du DTC: la machine fonctionne toujou en égime défluxé et dan de égime dynamique apide; de plu, la machine change tè féquemment on égime de fonctionnement (moteu ou généateu). Le éultat de imulation et expéimentaux ont monté que le DTC peut faie face avec uccè à ce containte. On a développé une méthode d amélioation de pefomance énegétique du DTC afin d augmente le endement de la MAS loqu elle fonctionne à de puiance faible; le éultat de imulation et expéimentaux ont validé cette méthode. On a développé de tatégie de contôle et upeviion pou le SISE aocié au généateu éolien. Bien û, un apect entièement oiginal concene la éaliation du banc d eai; quoique une patie du banc a été développée dan le cade d une aute thèe de doctoat, c et l auteu de cette thèe qui a fait le aemblement de toute le patie du banc et a implanté le tatégie de contôle et de upeviion du SISE aocié au généateu éolien. Lo de ce tavail, de apect nouveaux ont uvenu, mai le temp n a pa pemi de le étudie en détail. Un de ce apect concene l étude de pete engendée pa l échange de puiance éactive. Un modèle igoueux de ce pete pemettait l amélioation de tatégie de upeviion du SISE. Une étude u l influence de la capacité du condenateu du bu continu u le fonctionnement en généateu de la MAS du SISE pouait évéle de poibilité d amélioation du endement du SISE. Un apect paticulie concene l aociation du SISE avec pluieu généateu éolien. Donc, le chemin et encoe ouvet pou le paionné. 154

166 Annexe A.1. A.7.

167 A.1. Application pécifique de SISE et compaaion avec d aute ytème de tockage 156

168 A.1. Application pécifique de SISE et compaaion avec d aute ytème de tockage A.1. Application pécifique de SISE et compaaion avec d aute ytème de tockage Note: Toute le infomation ont été pie de R. Hebne, J. Beno, A. Wall, Flywheel batteie come aound again, IEEE Spectum, Apil 00, pp

169 A.. Fabicant de ytème inetiel de tockage d énegie A.. Fabicant de ytème inetiel de tockage d énegie Active Powe (et Catepilla) Acumetic Copoation AFS Tinity Powe Copoation Beacon Powe CCM (Cente fo Concept in Mechatonic) Flywheel Enegy Sytem Intenational Compute Powe Magnet-Moto Optimal Enegy Sytem Inc. Pentadyne Pille Powecop RPM SatCon Powe Sytem Tibology Sytem Inc. Uenco Powe Technologie Roeta-Technik 158

170 A.3. Le clae de endement adoptée en Euope pou le moteu aynchone à cage A.3. Le clae de endement adoptée en Euope pou le moteu aynchone à cage Cla definition fo 4 pole moto kw EFF3 moto EFF moto EFF1 moto ( ) ( ) ( ) 1,1 <76, >=76, >=83,8 1,5 <78,5 >=78,5 >=85,0, <81,0 >=81,0 >=86,4 3 <8,6 >=8,6 >=87,4 4 <84, >=84, >=88,3 5,5 <85,7 >=85,7 >=89, 7,5 <87,0 >=87,0 >=90,1 11 <88,4 >=88,4 >=91,0 15 <89,4 >=89,4 >=91,8 18,5 <90,0 >=90,0 >=9, <90,5 >=90,5 >=9,6 30 <91,4 >=91,4 >=93, 37 <9,0 >=9,0 >=93,6 45 <9,5 >=9,5 >=93,9 55 <93,0 >=93,0 >=94, 75 <93,6 >=93,6 >=94,7 90 <93,9 >=93,9 >=95,0 Cla definition fo pole moto kw EFF3 moto EFF moto EFF1 moto ( ) ( ) ( ) 1,1 <76, >=76, >=8,8 1,5 <78,5 >=78,5 >=84,1, <81,0 >=81,0 >=85,6 3 <8,6 >=8,6 >=86,7 4 <84, >=84, >=87,6 5,5 <85,7 >=85,7 >=88,6 7,5 <87,0 >=87,0 >=89,5 11 <88,4 >=88,4 >=90,5 15 <89,4 >=89,4 >=91,3 18,5 <90,0 >=90,0 >=91,8 <90,5 >=90,5 >=9, 30 <91,4 >=91,4 >=9,9 37 <9,0 >=9,0 >=93,3 45 <9,5 >=9,5 >=93,7 55 <93,0 >=93,0 >=94,0 75 <93,6 >=93,6 >=94,6 90 <93,9 >=93,9 >=95,0 Note: Toute le infomation ont été pie de 159

171 A.4. Détemination du flux d aimant pemanent de la MSAP A.4. Détemination du flux d aimant pemanent de la MSAP Pou imule la machine ynchone à aimant pemanent il faut connaîte la valeu de flux magnétique généé pa l aimant pemanent du oto. Un eai à vide pemet de déduie la contante de la foce électomotice (f.e.m.), K e. Cet eai conite à meue la tenion pa phae a vide délivée pa la MSAP pou une cetaine vitee : E 0 = K e Ω E K 0 e =. (A.4.1) Ω où E 0 et la valeu efficace de la tenion induite dan une phae de la machine et Ω et la vitee de la machine. Le enoulement de la machine ont conecté en étoile, mai le neute n et pa acceible. C et pouquoi, pou détemine E 0, on a meué la tenion ente deux phae V 0 et on a appliqué la elation bien connue : V0 E 0 =. (A.4.) 3 Le éultat expéimentaux ont donné dan le Tableau A.4.1. Tableau A.4.1 n [T/min] Ω [ad/] 104,7 09,44 314,16 V 0 [V] 94,1 188,3 8,6 E 0 [V] 54,33 108,7 163,16 K e [V /ad] 0,5 0,5 0,5 La tenion induite, pa le mouvement du oto, dan l enoulement d une phae tatoique et donnée pa dφm e0 =, (A.4.3) dt où Φ m et le flux magnétique généé pa le aimant du oto. 160

172 A.4. Détemination du flux d aimant pemanent de la MSAP Sachant que le flux de aimant a une amplitude contante, mai a diection change en fonction de la poition du oto, on peut écie pou la tenion induite dan un phae de la MSAP : dφm dφm d( pθ ) e0 = = = Ψ m pω in( pω t) = E0 in( pω t), (A.4.4) dt d( pθ ) dt où Ψ m et le flux magnétique de aimant du oto et p et le nombe de paie de pôle de la machine. Dan l expeion A.4.4 il et uppoé que le flux magnétique à tave d un enoulement a une vaiation inuoïdale, comme dan la Fig. A.4.1. E 0 Ψ m 0 Φ m e 0 π π pωt E 0 Fig. A.4.1 Enveloppe du flux magnétique et de la tenion induite dan un enoulement A pati de expeion (A.4.1) et (A.4.4), on déduit la valeu du flux généé pa le aimant : Ψ m = E pω 0 = K p e. (A.4.5) Le équation de la MSAP ont donnée dan le ytème dq et, à caue de cela, la valeu du flux obtenue pa (A.4.5) doit ête multipliée pa le coefficient de la matice de Pak: 3. Le éféentiel dq et oienté aupè le flux du oto, donc : Ψ md = 3 K p e = 3 K p e, (A.4.6.a) Ψ mq = 0. (A.4.6.b) 161

173 A.5. Développement du upevieu à logique floue A.5. Développement du upevieu à logique floue La détemination de la puiance de églage au moyen de la logique floue e éalie en toi étape: fuzzification, inféence et défuzzification. La fuzzification La fuzzification conite à défini le fonction d appatenance pou le vaiable d entée. On éalie aini le paage de gandeu phyique (gandeu déteminée) en vaiable linguitique (vaiable flou) qui peuvent ête taitée pa le inféence. Le vaiable linguitique ont définie dan note ca pa: Ω Ω[ p. u.] = et Ω max P [ p. u.] = eolf P P eolf eolf max Degé d appatenance Ω [p.u.] Degé d appatenance P eolf [p.u.] Fig. A.5.1. Fonction d appatenance de vaiable d entée Le fonction d appatenance de vaiable flou ont epéentée u la figue A.5.1. On a choii toi état: gand (B), moyen (M) et petit (S). 16

174 A.5. Développement du upevieu à logique floue L inféence On détemine le loi d inféence en patant de toi ègle: Si la vitee du volant et top petite, alo on favoie le tockage. Une plu gande patie de la puiance généée et utiliée pou chage le volant. Si la vitee du volant et top gande, alo on favoie la généation. Une plu ande patie de la puiance généée et envoyée ve le éeau. Si la vitee du volant et moyenne, alo le ytème fonctionne nomalement. Le éeau eçoit la puiance filtée, P eolf. Le Tableau A.5.1 ynthétie le loi d inféence. Ω Tableau A.5.1. Tableau d inféence P eolf P egl Petit (S) Moyen (M) Gand (B) Petit (S) VS SM BM Moyen (M) S M B Gand (B) SM BM VB La défuzzification La fonction d appatenance de la vaiable de otie, P egl [p.u.], et péentée dan la figue A.5.. La méthode de défuzzification utiliée et celle de la détemination du cente de gavité de la fonction d appatenance éultante. Degé d appatenance P egl [p.u.] Fig. A.5.. Fonction d appatenance de vaiable de otie 163

175 Réf /b Ce catalogue doit ête tanmi à l'utiliateu final SMV UM Moteu autoynchone Catalogue technique

176 SMV UM Moteu autoynchone Déignation SMV 95 UM B 30 0 C A C A A Gamme moteu autoynchone Type de la éie Fein 0 : an fein 1 : avec fein 4V CC Abe A : avec clavette B : lie Inetie A : Faible B : élevée Dimenion de la bide Vitee nominale (1) = 3000 min -1 0 = 000 min = 4000 min Capteu de poition C : codeu incémental G : SinCo SCM60 (abolu 4096 tou) A : éolveu 55 RSS116 H : SinCo SCS60 (abolu monotou) Longueu du tato A B C D E () Raccodement C : tout connecteu (3) H : hybide (4) T : tout boîte à bone (5) Bide de fixation A : nome CEI B : nome NEMA Le aticle en ga ignalent le configuation tandad qui favoient le délai cout -1 (1) SMV 190 UMV uniquement diponible en 000 min () Non diponible u SMV 75 UM et SMV 190 UM (3) Non diponible u SMV 190 UM (4) Hybide : boite à bone pou la puiance et connecteu pou le Capteu de poition (5) Uniquement avec éolveu