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)