La génératrice asynchrone à double alimentation (Modélisation et commande) Bruno FRANCOIS

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1 La généatce aynchone à doble almentaton (Modélaton et commande) Bno FRANCOIS Mate (Recheche) Scence et Technologe Menton : «Atomate et Sytème Electe Spécalté : Enege Électe et Déeloppement Dable (E2D2) Laboatoe d Electotechne et d Electone de Pance : L2EP Modélaton d ne généatce éolenne àbae de machne aynchone à doble almentaton Technologe étdée Gande d état Modélaton dyname Modèle d ytème Zone de fonctonnement Statége de commande Achtecte d dpotf de commande 2

2 Technologe étdée Dobly Fed Indcton Geneato C ae AC 5 Hz Gd β Ω tbne C g Bage Ω mec Geabox D.F.I.G. AC aable feency PWM AC DC m_mac m-e C PWM 2 DC AC R t L t t t2 Contôle de la tee et d flx Contôle de la pance Addtonnal adantage : - Rated powe of powe electonc conete = 3% of the total ated powe - Economcal nteet 3 Contôle de coant «éea» Contôle d b contn et de la pance éacte échangée Tbne Geabox Dobly Fed Indcton Geneato AC 5 Hz Gd Slp ng β Roto de conete Gd de conete AC aable feency Ω I I It Ug Geneato contole Gd connexon contole Ω ef Q ef ef Q ef -Statng -MPPT -Ptch contol Powe montong Contol Sytem 4

3 Gande d état Repèe de taal : Repèe de Pak 2 axe «d,» Éaton d ytème: Éaton mécane Ω : Vtee de l abe de la machne Éaton de la MADA d,, d, : coant a tato et a oto Éaton d b contn : : Tenon ax bone d condenate aable d état 4 aable d état aable d état Éaton de flte (laon otoe) : td, t, : Coant dan le flte 2 aable d état A total 8 aable d état 5 Modélaton dyname Repèe natel (a, b, c) O b O b b b Oa Éaton a tato a R b = R c R a b c a + d dt b c O α Oa a a c c O c O c 6

4 Modélaton dyname O b b b O b b Repèe natel (a, b, c) Éaton a tato a b c R = R Éaton a oto a R b = R c R a b c R a b c a + d dt b c a + d dt b c b O c c c c c O c O a Oa a θ a Oa a 7 Modélaton dyname Repèe natel (a, b, c) En l abence de ataton, le flx ont ppoé lnéaement dépendant de coant. Sx enolement magnétement coplé, dont to ont moble. Le flx total dan chae enolement et donné pa la omme de : _ on flx pope (lé pa l ndctance po n flx tatoe), _ de dex flx de coplage a nea d tato (lé pa le mtelle ndctance po n flx tatoe) _ de to flx de coplage aec le oto (lé pa de mtelle ndctance aable elon la poton d oto). 2π 4π a =la + M b +M c +M a co( θ) + b co( θ ) +c co( θ ) 3 3 8

5 a l M M a a = = M l M + M R M M l [ ] [ ( θ) ] b b b c c c tato 4 2 co( θ ) co( θ π) co( θ π) ( θ) = co( θ π) co( θ) co( θ π) co( θ π) co( θ π) co( θ) 3 3 [ R ] 9 c c c c O c Oc [ R ] O b b b O b b Modélaton dyname b O O a a a θ Oa a a 4 2 co( θ ) co( θ π) co( θ π) ( θ) = co( θ π) co( θ) co( θ π) co( θ π) co( θ π) co( θ) 3 3 Repèe natel (a, b, c) Éaton a tato a b c R = R Éaton a oto a R b = R c Éaton de flx R a b c R a b c a + d dt b c a + d dt b c a l M M a a = = M l M + M R c M M l c c [ ] [ ( θ) ] b b b La matce ndctance dépend de l angle α

6 Modélaton dyname Tanfomaton de Concoda O β O β β co( π ) co( π ) 3 3 β β [ C] = 2. n( π ) n( ) π Oα β α α α Oα Éaton a tato O α α α R = α + d α Algnement de l axe α aec l axe a β R β dt β Éaton a oto α R = α + d α β R β dt β α L M'.co() α M'.n() α α β L α α β = α α M'.n() M'.co(). a M'.co() M'.n() a β M'. n() α M'.co() α β Modélaton dyname Modèlaton dan le epèe de Pak tonant O b O b b b b b Oa a O O β O β O d θ O α c c O c c c O α O c a Oa a a α θ O α O θ = α + θ dθ ω = : tee d epèe tatoe pa appot a éféentel d, dt (mpoée pa le éea 5Hz) ω = dθ : tee d epèe otoe pa appot a éféentel d, dt (nflencée pa le conete ) dθ ω = = pω dt mec 2

7 Modélaton dyname Modélaton dan le epèe de Pak O b O b b b b b O α Oa a a Oa a a A tato : dφ d d = R. d + ω.φ d R. Φ = + + ω.φ d A oto : d = R. Φ d d.φ d + ω dt dφ = R. + +ω. Φ dt d c c O c c c O c Éaton de flx : d L = d M' L M' M' M'. L d d 3 Matce d ndctance: - Contante - Décoplée pa appot ax axe d et Modélaton dyname Modèlaton dan le epèe de Pak d [ ] [ R ] [ ] [ ] [][ ] dt d d =. d + d + λ. d. dt θ O O β O β O d O α θ d [ ] [ ] [ ] d d = R. d + [ d] + [][ λ. d]. dt [] λ = [ ] dt θ O θ = α + θ θ α O α d L = d M' L M' M' L M' L. d d 4 Matce d ndctance: - Contante - Décoplée pa appot ax axe d et

8 O O θ e e e d Modélaton dyname d Modélaton dan le epèe de Pak e d O d d A tato : dφ d d = R. d + ω.φ d R. Φ = + + ω.φ d A oto : d = R. Φ d d.φ d + ω dt dφ = R. + +ω. Φ dt d Éaton de flx : d =L. d +M. d =L. +M. O a d d d =L. d +M. d =L. +M. Éaton d cople : c = p ) o c = p( ( d d d d ) 5 c= p. M.( d d) o c= p. M.( d d) L Modélaton dyname Modélaton dan le epèe de Pak A tato : dφ dφ d d = R. d + R ω.φ d : d = d R. Φ dφ = + + ω.φ R d : = d So fome A oto : d d = R. Φ ntégale dφ d ω.φ d + dt R d : d = dφ dφ = R. + +ω. Φ dt d R : = d d R R R R.... d d e e e d e d R g2d : e d e e d e f.e.m. = ϕ. ω = ϕ. ω d = ϕ. ω = ϕ. ω d Éaton de flx : d =L. d +M. d =L. +M. d =L. d +M. d =L. +M. = L M d d = L M M M L M M Φ Φ Φ. = [ ] Φ.L M 2. L. [ ][ ] Φ. d L d = 2.. Φd.L M M L M Φ Φd 6

9 Modélaton dyname ed Rg 2 d ω d R d d R 2 d d d Rg d cd d R d d R 2 d d R3 d d Rg d cd MACHINE d ed Rg 2 d ω R4 ω R 5 c e Rg 2 R R R 2 R 2 R3 Rg Rg c c MACHINE Ωmec d e Rg 2 ω 7 coplage électomécane e d Rg2d ω Modélaton dyname R d d d R3d d Rgd c d d d d d Rgd c d R e d Rg2d ω ω R4 R5 c e Rg2 ω Ωmec R R3 Rg c MADA d,, I _d Rg c Ω mec V d R T em I _d e Rg2 8 ω V _d

10 Modèle d ytème C ae AC 5 Hz Gd β Ω tbne C g Bage Ω mec Geabox D.F.I.G. AC aable feency PWM AC DC m_mac m-e C PWM 2 DC AC R t L t t t2 Tbne T aeodynamcal Mltplcate T geabox Abe Ω mec β Ω tbne Ω mec T em 9 Zone de fonctonnement MW ASG Toe-Speed Chaactetc Opeatng Regon Toe (Nm) T e ( ) pm Speed (RPM) 2 9

11 DOMAINE DE FONCTIONNEMENT O entaton de Pale 3 Pance (kw) Démaage Extacton de P max 2 3 Ω Ω 2 V tee de la g énéatce Zone : Démaage de la machne, loe la tee attent Ω Ω nom Ω 2 DOMAINE DE FONCTIONNEMENT O entaton de Pale 3 Pance (kw) Démaage Extacton de P max 2 3 Ω V tee de la g énéatce Ω nom Zone : Démaage de la machne, loe la tee attent Ω Zone 2: la tee de la généatce attent de ale pl mpotante, j à Ω 2 coepond à ne pance one de la pance nomnale P nom. Ω 2 Ω 22

12 DOMAINE DE FONCTIONNEMENT O entaton de Pale Pance Pn (kw) Démaage Extacton de P max 2 3 Ω V tee de la g énéatce Zone : Démaage de la machne, loe la tee attent Ω Ω nom Zone 2: la tee de la généatce attent de ale pl mpotante, j à Ω 2 coepond à ne pance one de la pance nomnale P nom. Zone 3: ne lmtaton de pance et effectée à l ade d n ytème de contôle o d oentaton de pale: ptch contol. Ω 2 Ω 23 FONCTIONNEMENT HYPERSYNCHRONE O entaton de Pale Ω Ω Ω g = < Pn Démaage E xtacton de P max P Ω Ω V tee de la g énéatce Ω nom Ω P = P + P = P.(-g)= P.(+ g ) MAS P (f) RESEAU P.(+ g ) (f) P = -g.p > P (g.f) 24 () (f)

13 FONCTIONNEMENT HYPOSYNCHRONE O entaton de Pale Pn Démaage E xtacton de P max P Ω Ω Ω g = > Ω Ω V tee de la g énéatce Ω nom Ω P = P + P = P.(-g)= P.(- g ) MAS P (f) P.(- g ) RESEAU (f) P = -g.p < P (g.f) 25 () (f) Explotaton d n d eleé expémental 6 4 Pance électe (kw) Mee Smlaton Pance contante 2 8 Vtee contante MPPT Vtee mécane 26 (t/mn) Démaage

14 Statége de commande β Τ a Ω t Geabox Τ g Ω Slp Rng Dobly Fed Indcton Geneato Roto de nete machne gd Lne de nete P, Q R t L t AC 5 Hz G R I D AC Vaable Feency C P, Q Poblté Contôle de la tee et d flx Contôle de la pance Poblté Contôle de coant «éea» Contôle d b contn et de la pance éacte échangée 27 Statége de commande Dynamc modellng n the Pak fame tato : oto : dφ d = Cent eaton : d d d dφ = = L M = L M R. R. d M M + Φ. ω + Φ. ω dφ d = d R. d + Φ. ω dφ = R. + Φ d. ω d Φ. d Φd Φ. Φ P = d. d +. Q =. d d. P = d. d +. Q =. d d. 28 Tem = M p. (. Φ d. L Φ. d )

15 On calcle θ po oente la epèe de Pak de manèe à annle la compoante adate d flx tatoe. Inéêt : Smplfcaton de éaton M Tem = p. (. d d ) L Oentaton d flx : = Ple méthode ont poble. Exemple : Oentaton d flx _ On mee le coant tatoe et otoe _ On etme le flx tatoe d_et =L. d +M. d _et =L. +M. _ Calcl de l angle Φ_et θ = Actan Φd_et _ Calcl de l angle θ à pat de ω = ω p. Ω 29 O O O O θ d O d d O d Statége de commande Smplfed dynamc modellng : mall tato eto contant tato flx (fxed by the gd) patcla tato flx oentaton ϕ = tato : oto : dφ d = d dφ = R. R. d + Φ. ω + Φ. ω dφ d = d R. d + Φ. ω dφ = R. + Φ d. ω d P = d. d +. Q =. d d. P = d. d +. Q =. d d. Tem = M p. (. Φ d. L Φ. d ) Cent eaton : d d = L M = L M M M Φ. d Φd Φ. Φ 3

16 Modèle mplfé po conceo la commande tato : R d : oto : R dφ d d : dφ R : d = Φ d = ω = = d R R. Statége de commande e d = -Φ d. ω d. e f.e.m. R g2d : e = ϕ. ω R g2 : d e = ϕ. ω d M Tem = p. L. Φ d. Cent eaton : R 3d : R 3 : d d = L M = L M Φ = -ω M d = M Φ. d Φd Φ. Φ 3 Statége de commande Smplfed dynamc modellng [FOR 2] [TAN 95] tato : oto : d = = -Φ d. ω La compoante decte d flx deent popotonnelle à V dφ d = d R. d + Φ. ω dφ = R. + Φ d. ω Q =. d d. M Tem = p.. Φ L d. contol the toe -> peed Cent eaton : d d = L M = L M M M Φ. d Φd Φ. Φ 32 d = Φ d M. L d d contol the eacte powe

17 Reacte powe contol Toe contol Statége de commande = -Φ d. ω La compoante decte d flx deent popotonnelle à V Reacte powe contol Toe contol Q =. d d. M Tem = p.. Φ L d. contol the toe -> peed 33 d = Φ d M. L d d contol the eacte powe GIC d modèle dyname de la MADA à flx oenté (à compléte) ω Machne d ω e d R g2d Φ d R d d R 3d d R d R 5 c Machne R R 3 e e R 2 Φ d ω 34 ω

18 Contôle d cople R d R 5 c e e R Machne R 3 e R 2 c= c Φ d d Modèle de commande Dpotf de commande _eg ω e ) _eg ω ω c ef ) d ω _eg 35 _ ef = d _ ef L T M em _ ef Contôle de la pance éacte ω Machne d ω e d e d R9 R g2d Φ d d R d d R8 R 3d d d R7 d R6 ω Modèle de commande Dpotf de commande ) d R6e d_eg R8 c d_eg R7c 36 d _ ef d_eg R6c = M e d R9e ( L ) d _ ef ) d ) ω _eg Q _ d _ ef = ) ω ef d

19 Contôle d cople Contôle d coant Dpotf de commande aec oentaton d flx tatoe 3 fonctonnalté d dpotf de commande : _ contôle (apde) de coant _ contôle d flx _ contôle d cople Temef Contôle d cople R2c _ Commande Contôle d coant R3c + _ C () Décoplage R4c R5_e _eg + + R5e X e ) + e R + σ Modèle X Tem ω _eg 37 Oganaton généale R β C ae Ω tbne C g Bage Machne aynchone A doble almentaton 2 AC 5 Hz t t2 Réea Ω mec Tbne Mltplcate AC féence aable m_mac m-e C 2 R t L t t t2 MADA d,, I _d Tbne Mltplcate T aeodynamcal T geabox Abe Ωmec I _d V d β Modèle Commande β ef MPPT Ωtbne Ωtbne_ef Ωmec_ef Ωmec Aeement de tee T em T em_eg Contole ectoel 38 V _d V _d_ef

20 Achtecte d dpotf de commande Vtee d ent C é Poce Pak - Pak - Commande d d Généaton w_eg dw_eg Extacton de la pance Ω ef Ω Contôle de la tee C ef Oentaton d flx ef Commande ectoelle : - contole d flx - contole de coant - décoplage d _ ef _ ef Commande d conete 39 Achtecte d dpotf de commande Mltplcate Mltplcate Vtee d ent C é Poce Pak - Pak - Commande d d Généaton w_eg dw_eg Extacton de la pance Ω ef Ω Contôle de la tee C ef Oentaton d flx ef Commande ectoelle : - contole d flx - contole de coant - décoplage d _ ef _ ef Commande d conete 4

21 Achtecte d dpotf de commande Vtee d ent C é Poce Pak - Pak - Commande d d Généaton w_eg dw_eg Extacton de la pance Ω ef Ω Contôle de la tee C ef Oentaton d flx ef Commande ectoelle : - contole d flx - contole de coant - décoplage d _ ef _ ef Commande d conete 4 Achtecte d dpotf de commande Mltplcate Mltplcate Vtee d ent C é Poce Pak - Pak - Commande d d Généaton w_eg dw_eg Extacton de la pance Ω ef Ω Contôle de la tee C ef Oentaton d flx ef Commande ectoelle : - contole d flx - contole de coant - décoplage d _ ef _ ef Commande d conete 42

22 ARCHITECTURE DU CONTRÔLE DE LA LIAISON RESEAU C e 2 R t L t Généaton t Pak - Pak - Poce w_eg dw_eg Commande t td d Commande d Conete 2 mod_d_ef mod ef Contole de la laon éea td_ef t_ef Contole de pance P ef Q ef = Contole d b t ef 43 ARCHITECTURE DU CONTRÔLE DE LA LIAISON RESEAU C e 2 R t L t Généaton t Pak - Pak - Poce w_eg dw_eg Commande t td d Commande d Conete 2 mod_d_ef mod ef Contole de la laon éea td_ef t_ef Contole de pance P ef Q ef = Contole d b t ef 44

23 ARCHITECTURE DU CONTRÔLE DE LA LIAISON RESEAU C e 2 R t L t Généaton t Pak - Pak - Poce w_eg dw_eg Commande t td d Commande d Conete 2 mod_d_ef mod ef Contole de la laon éea td_ef t_ef Contole de pance P ef Q ef = Contole d b t ef 45 ARCHITECTURE DU CONTRÔLE DE LA LIAISON RESEAU C e 2 R t L t Généaton t Pak - Pak - Poce w_eg dw_eg Commande t td d Commande d Conete 2 mod_d_ef mod ef Contole de la laon éea td_ef t_ef Contole de pance P ef Q ef = Contole d b t ef 46

24 Tbne Geabox Dobly Fed Indcton Geneato AC 5 Hz Gd Slp ng β Roto de conete Gd de conete Ω I I It Ug Geneato contole Gd connexon contole Ω ef Q ef ef Q ef -Statng -MPPT -Ptch contol Powe montong Contol Sytem 47