Modélisation, simulation et contrôle d'une génératrice multiphasée à grand nombre de pôles pour l'éolien

Modeling, simulation and control of a low speed multiphase generator for wind turbines

• Auteur / Autrice : Alin Pantea
• Direction : Franck Betin, Amine Yazidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/07/2017
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies innovantes (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Betin, Amine Yazidi, Daniel Roger, Fabrice Locment, Gérard-André Capolino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Roger, Fabrice Locment

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Machines asynchrones

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Mots clés libres

Aérogénérateurs

Modélisation

Machine asynchrone hexaphasée

Wind turbine

6-phase induction machine

Fault tolerant control

Résumé

Depuis une quinzaine d'années, l'éolien s'est grandement développé en nombre d'infrastructures et en puissance unitaire mais il reste toujours confronté à un problème de disponibilité de par les nombreuses pannes d'ordre mécanique ou électrique. Le but de ces travaux consiste à concevoir, modéliser et piloter des aérogénérateurs tolérants aux défauts mécaniques et électriques. Pour cela, une structure basée sur une génératrice asynchrone hexaphasée à grand nombre de paires de pôles a été retenue. L'augmentation du nombre de pôles permet de s'affranchir ou de simplifier le multiplicateur, source des pannes mécaniques, tandis que l'utilisation d'une structure multiphasée permet de poursuivre la production d'énergie lors de la perte de phases au stator ou de bras du convertisseur. Une modélisation fine de la génératrice sur la méthode des circuits internes équivalents a été réalisée et un algorithme de calcul des paramètres à partir des données géométriques de la machine a été développé permettant d'automatiser le calcul pour n'importe quels stators et schémas de bobinage. Associé au convertisseur, ce modèle a été simulé avec succès et une commande vectorielle a également été introduite à ce schéma. Cette stratégie de contrôle permet d'adapter les matrices de transformation ainsi que les paramètres des régulateurs PI en fonction du défaut et confère une tolérance aux défauts électriques. Cette adaptation permet de réduire significativement les oscillations de puissance lors de la perte d'une ou plusieurs phases. Pour valider les théories développées et déjà simulées, des essais ont été réalisés avec succès sur un banc d'essai de 24kW, image d'une éolienne connectée au réseau

For around 15 years, wind turbines have found a wide popularity and increase in terms of number and power per unit but they have still to deal with mechanical and electrical faults. Then, the aim of this thesis is to design, model and control a wind turbine generator that is able to cope with these problems. For this, a structure based on a squirrel cage induction machine with 6 phases and 24 poles has been studied. Indeed, by increasing the number of poles, one can simplify or eliminate the gearbox that induces many faults while a multiphase structure allows electrical energy production when several stator phases or inverter legs are lost. For this, a precise model of the generator has been developed using the equivalent intern circuits and a parameters computing strategy that allows the determination of the parameters whatever the geometrical and electrical structure of the stator has been introduced. Associated to the power converter, this model has been simulated successfully and a field oriented control has also been inserted in the whole simulation scheme. This control strategy allows tuning of the transformation matrices and also PI regulators parameters as function of the fault and therefore is robust against electrical parameters changes. Indeed, the on-line adaptation lets to reduce significantly the power ripples that appear when one or more phases are lost. To validate the proposed method that have been previously simulated, the same test have been carry out successfully on a 24 kW prototype that is a picture, at scale 1/100, of a real advanced wind turbine connected to the grid