Etude d`éoliennes à vitesse variable basées sur des

Etude d’éoliennes à vitesse variable
basées sur des machines asynchrones
(MAS-MADA)
Equipe : Conversion et qualité de l’énergie
M. Machmoum, F. Poitiers, L. Moreau et M.E. Zaïm, R. Le Doeuff
LARGE-GE44, Bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint Nazaire Cedex
email : [email protected]
Plan
•
•
•
•
•
Rappels sur la conversion de l’énergie éolienne : objectifs
et génératrices utilisées
Machine asynchrone à cage : fonctionnement en
autonome
Machine asynchrone à cage à vitesse variable
Machine asynchrone à double alimentation connectée sur
le réseau.
Conclusions et Perspectives
Rappels sur la conversion d’énergie
par éolienne
Cp
Courbe Cp(λ) (spécifique à chaque éolienne).
45
40
35
Cp : coefficient de puissance
30
25
20
λ : Rapport d ’avance (vitesse de l’extrémité
des pales sur la vitesse du vent).
15
10
5
0
Pm
2
3
4
5
6
7
λ
8
9
10
λ
11
Dimension
Densité de d ’une pale
Vitesse du
l ’air
vent
1
Ω2 R
Pm= C p (
) ρπ R 2V13
KV1
2
16000
8
14000
m.s-1
12000
7 m.s-1
10000
Puissance mécanique disponible en
fonction de la vitesse du générateur
pour différentes vitesses de vent.
8000
6 m.s-1
6000
4000
5 m.s-1
4 m.s-1
2000
0
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Ω
Objectifs de cette conversion
Pm
16000
En vitesse fixe : le maximum
théorique n’est pas atteint
8 m.s-1
14000
12000
7 m.s-1
10000
8000
6 m.s-1
6000
5 m.s-1
4000
4 m.s-1
2000
0
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Ω
En vitesse variable : La puissance
maximale est exploitée pour toutes
les vitesses du vent (régulation de
λ optimal pour avoir Cp
maximum)
Génératrices utilisées
Machine asynchrone en autonome.
MAS
* Nécessité de capacités d’autoexcitation pour magnétiser la machine.
R-L
Machine asynchrone à cage débitant
sur un réseau.
RESEAU DE
DISTRIBUTION
* Obligation de fonctionner au
voisinage du synchronisme.
MAS
RESEAU DE
DISTRIBUTION
MASDA
C1
U
Autorise le fonctionnement à
vitesse variable ( MAS ou
MADA).
Génératrices utilisées
GS
3
Machine synchrone à aimants permanents
(MSAP)
* bon rendement, faibles puissances,
adaptée aux faibles vitesse mais prix
élevé.
Machine à réluctance variable (MRV)
permettant de supprimer totalement ou
partiellement le multiplicateur de
vitesse.
* Etudes actuellement en cours.
Machine asynchrone à cage en
fonctionnement autonome
MAS
MAS
TURBINE
EOLIENNE
R
L
CHARGE
Vabc
Charge +
excitation
MAS
Ω
R
(modèle de
PARK)
Γm
iabc
Vabc
Modèle diphasé associé à une transformation étoile-triangle côté charge
méthode simple d’étude de régimes déséquilibrés, gain en temps de calcul et
modèles indépendants machine - charge/excitation.
Paramètres : Machine LS, 3 kW, p=1, 220/380 V, J=0.117 kg.m2 , f=5.10-3 N.m.s-1
Machine asynchrone à cage en
fonctionnement autonome
E
Rr/g
E
M
M
350
300
C=30µF
C=35µF
250
200
C=40µF
150
IC
R
C
Valeur de la mutuelle M (H)
E
IM
lg
0.5
x : points expérimentaux
-: Approximation polynomiale
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
100
0.2
50
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Im
Points de fonctionnement pour différentes
valeurs de capacités
0.15
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Courant magnétisant Im (A)
3
3.5
Prise en compte de la saturation
4
Im
Machine asynchrone à cage en
fonctionnement autonome
Tensions stator des phases a et c
Voltage build-up
Stator voltage of phase a
2s
400
2s
Vsa (V)
200
0
-200
-400
0
1
2
3
4
time (s)
5
4
Time (s)
5
6
7
8
Stator voltage of phase c
400
Vsc (V)
200
0
-200
-400
0
1
2
3
Simulation
6
7
8
Relevé expérimental
Processus d ’amorçage en régime équilibré
Machine asynchrone à cage en
fonctionnement autonome
Voltage fall-down
Stator voltage of phase c
400
300
100 V/div
1s/div
200
Vsc (V)
100
0
-100
-200
-300
-400
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Ca=Cb=Cc=28.5 µF, Ω=3000 tr/min, essai à vide
Déconnexion brusque d’un condensateur ou de la charge
Time (s)
Ca=Cb=Cc=33 µF, Ω=3000 tr/min, Ra=Rb=Rc=1kΩ
100 V/div
1s/div
Simulation
Relevé expérimental
Machine asynchrone à cage en
fonctionnement autonome
260
∆V
Tension
stator (V)
240
220
∆V
180
160
140
28µF
120
200
400
600
Influence d’une charge purement résistive
350
Vitesse (rad/s)
300
250
150
Fréquence (Hz)
100
50
0
4
4.5
5
5.5
6
6.5
t(s)
Influence d’un impact de vitesse
36µF
32µF
800
1000
1200
1400
1600
P (W)
BILAN
Tension (V)
200
∆V
200
7
* Impossibilités d’utiliser des charges
exigeantes en tension et fréquence.
* Risque de démagnétisation.
* Fonctionnement sur une plage de
vitesse restreinte.
autres solutions !
Vitesse variable
• Avantages de la vitesse variable
• Optimisation de l’énergie captée
• Contrôle du transfert de puissance et énergie propre envoyée sur
le réseau.
• Inconvénients de la vitesse variable
• Utilisation de machines spéciales
• Convertisseur de puissance « complexe »
Génératrice asynchrone
à vitesse variable
• nécessité d’utiliser un convertisseur de fréquence (ac/dc dc/ac)
• ac/dc
redresseur à diodes associé à un convertisseur dc/dc
(machines synchrones)
redresseur à MLI (machines asynchrones)
• gestion du transfert de puissance entre le redresseur à MLI et
l’onduleur (régulation du bus continu) et le placement au point
de puissance optimum de l’éolienne.
2 approches possibles : approche source de courant ou
approche source de tension.
MAS associée à un redresseur MLI
Régulation de Puissance (1)
• Vdc régulée par l ’onduleur, le redresseur fixe le couple
• Commande vectorielle de la MAS sur modèle diphasé :
Cref = Pref/Ωrotor et Ψref constant
Génératrice
asynchrone
Redresseur MLI
Vitesse de rotation
rotor
Flux de référence
Vitesse
du vent
Commande
vectorielle
Algorithme de
placement au point
optimal de
fonctionnement
÷
Puissance
de référence
Couple
de référence
Vdc
MAS associée à un redresseur MLI
Régulation de Puissance (2)
MAS associée à un redresseur MLI
Régulation de Vdc (1)
MAS associée à un redresseur MLI
Régulation de Vdc (2)
Vitesse déclenchement
• t=1.15s Pref=Pnom/4 et à t= 2s Pref=Pnom/2
Equilibre puissance assuré - bon choix du
rendement de l’ensemble convertisseur machine.
• Bonne régulation de Vdc à l’aide d ’un PI + compensation.
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA) sur le réseau (fortes puissances)
P (f)
RESEAU
P(1+g)
(f)
MASDA
C1
gP
(gf)
U
(f)
Avantages :
• transfert bidirectionnel de la puissance rotorique.
fonctionnement hypo. ou hypersynchronisme, donc large plage de vitesse.
• Convertisseur rotorique de faible puissance.
• meilleure utilisation de la machine : puissance élevée au delà du synchronisme
possibilité de fonctionner à vitesse élevée du vent.
• Mode « MPTM » au dessous de Ωs et couple constant au delà de Ωs.
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Modèle diphasé :
Tensions statoriques et
rotoriques
d

V
R
I
ψ
=
+
d
s
s
d
s

dt

d
V
ψ
qs = R s I qs +

dt
d

V
R
I
ψ
=
+
d
r
r
d
r

dt

d
V
ψ
qr = R s I qr +

dt
ds
− θ sψ
qs
+ θ sψ
dr
− θ r ψ
qr
+ θ r ψ
F lu x s ta to riq u e s e t ro to riq u e s :
qs
ds
qr
dr










• Contrôle de la puissance active et réactive
ψ
ψ


ψ
ψ

ds
qs
dr
qr
= L s I ds + M I dr 
= L s I q s + M I q r 

= L r I dr + M I ds 
= L r I q r + M I q s 
E q u a tio n m é c a n iq u e :
Γm = Γe + J
ψ ds = ψ
dΩ
+ fΩ
dt
et
s
ψ qs = 0
Γe = − p
M
I qr ψ
Ls
V ds = 0
et
ds
V qs = V s ≅ ω s ψ ds
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Modèle interne de la MADA
gω s
Vq
Vd
M
ψ
Ls
ν1
ds
K in v
+
1 + p T in v V qr
K in v
1 + p T in v
1
-
Rr + p ( Lr −
ν2
g ω s ( Lr −
ν3
M 2
g ω s ( Lr −
)
Ls
+
V dr
+
2
M
)
Ls
2
M
)
Ls
Idr
1
Rr + p ( Lr −
Iqr
P
M Vs
−
Ls
M Vs
−
Ls
2
M
)
Ls
2
Vs
L sω s
Q
+
ν4
+
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
t
xdt = ( id , vdr ) , xdw
= ( Qref υ3 υ4 ) , u = vd ,

t
e = Q − Qref , y = ( id Qref υ3 )

 xˆ d 
 xˆ   B 
( θd ) :   = ( Ad − Ld Cy,d )  d  +  1,d  u + Ld y
 
 x̂dw   0 
 x̂dw 


Kd
−
x̂

 d
u = vd = − K1,d K2,d   

 x̂dw 
Y : mesures, e :signaux d ’erreurs à réguler
u : commande, w : perturbations et références
ω
u
Qref
ν4
ν3
Vd
-
Kinv
1+ pTinv V +
dr
1
Rr + p(Lr −
2
M
)
Ls
MV
− s
Ls
+
+
Q
-
+
Idr
P
objectif : synthétiser un observateur θ donnant u
tq e=0 quelle que soit w.
Les poles de (Ad-LdCy,d) sont placés en respectant
un horizon de filtrage -ωf=-1/Tf et de commande
donnés.
Même démarche pour l’axe q .
-Kd
Xˆ d , Xˆ dω
θd
observer
Contrôle de la puissance réactive - Schéma standard
e
y
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Régulateurs monovariables utilisés : IP, RST, Observateur
Test 1 :
• Poursuite : échelon de puissance active ∆P=-5kW à t=1s
suivi d’un échelon de puissance réactive ∆P= 2kVar à t=2s
• Sensibilité aux perturbations : échelon de vitesse ∆Ω=(318-260) rd/s
à t=3s
Test 2 :
• mêmes échelons en puissances avec variation aléatoire de la vitesse
• Robustesse vis-à-vis de la résistance rotorique
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Réponses à des impacts de puissance active, de puissance réactive et de vitesse
vsa
isa*20
P
Q
Ω
• meilleur découplage avec le RST qu’avec le PI
• temps de réponse : RST : tr=45ms , PI : tr=130ms
• échelon Ω : RST ∆P=150W (3%) et ∆Q=100Var (5%)
PI
∆P=1300W (26%) et ∆Q= 1000Var (50%) pour le PI.
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Performances du système suite à des variations aléatoires de la vitesse
vsa
isa*20
P
Q
Ω
• Performances altérées avec le PI.
• Bonnes performances avec le RST : ∆P et ∆Q < 5%.
• Courant stator quasi constant.
Machine asynchrone à double alimentation
(MADA)
Variations aléatoires de la vitesse + test robustesser
Rr
P
Q
Ω
• Performances médiocress avec le PI.
• Bonnes performances avec le RST : ∆P et ∆Q < 5%.
• Courant stator quasi constant et robustesse via à vis de Rr.
Synoptique du simulateur (macroscopique) de
la turbine éolienne
Dispositif mécanique (éolienne)
V
Coefficient de puissance
Cp de l'éolienne
vent
ΩR
λ= 1
Vvent
Ω1
Calcul du couple
généré par l'éolienne
Γm =
1
2
⋅π ⋅ ρ ⋅
Cp
λ
Γm
⋅ R ⋅V
3
Γr
Equation
mécanique
2
Γr
P
Ω2
mesuré
Calcul
du
couple
1
Js + f
MADA
Multiplicateur
de vitesse
Ω1ref
1
K
Ω 2ref
M
Ω mesuré = Ω 2
K
f
AC/AC
Vitesse de référence (rad/s).
Vitesse mesurée (avec l’observateur) (rad/s).
Evolution des travaux
Analyse du fonctionnement de l’ensemble : simulateur - MCC - MADA.
Validation expérimentale des lois de commande mono-variables établies en
simulation pour la commande de la MADA.
Etude d'une commande robuste de la MADA par une approche multi-variable
Prise en compte de la saturation
Comparaison de la MADA avec la MAS à cage en prenant en compte les
considérations de rendement.
Thèse en cours : Machines lentes (MRV)
Banc d’essai MADA
MADA (7.5 kW)
Dispositif de
production
d’énergie à
étudier
MCC (10kW)
Moteur
d’entraînement
destiné à simuler
le comportement
d’une éolienne
Dispositif de commande
(Onduleur +PC
+ carte d’interface DSP)