Modeling and control of a hybrid excitation synchronous generator connected to an isolated load for wind applications for the improvement of its efficiency and the decrease of mechanical fatigue
Modélisation et commande d’un générateur éolien à double excitation isolé en vue de l’amélioration de son rendement et de la diminution de la fatigue mécanique
Résumé
This subject contributes to the modeling and control of a wind conversion system based on a Double Excitation Synchronous Generator (DESG). The degree of freedom provided by the wound excitation allows the improvement of the energy efficiency on the operation’s cycles with random solicitations, as it is the case for wind turbines.The aim of this research is to implement robust control techniques for the DESG in order to optimize its aerodynamic efficiency and to reduce its mechanical loads. In this context, a hybrid generator connected to an isolated load for wind applications is presented. First, linear models are established. These models are used to set up the appropriate control structures from both an electrical and mechanical point of view. At the same time, very complete nonlinear models are developed allowing a validation in an advanced simulation platform taking into account the space harmonics of the generator, the switching effects of the converters and the torsional effects on the shaft. Moreover, a 3 kW wind emulator is built to evaluate the contribution of the hybrid generator in the wind conversion systems field and then improve the synthesized controllers. Two robust control strategies for a hybrid machine are implemented and a comparison between a CRONE controller and a H∞ controller is presented. Satisfying results are obtained with a better performance for the CRONE regulator compared to H∞ one. In addition to the problem of optimizing the production of the wind energy conversion system, attempts have also been made to reduce the generator harmonic distortion ratios by using two solutions: passive filtering and reduction of the electromagnetic torque ripple by acting on the excitation current. Although there are improvements at high rotation speeds, these solutions are not sufficient for a connection of the proposed architecture to the grid.Once the applicability of the DESG in the wind energy field has been proven in the case of a 3 kW wind conversion system, we have considered a more realistic case. To this end, we have interfaced the developed advanced electric model with an aeroelastic model available on the FAST software, to take into account the mechanical couplings and the flexibilities. The turbine chosen for the study is the WindPACT 1.5MW turbine. In this part, robust controllers dealing with the reduction of mechanical fatigue are developed.The model of WindPACT turbine based on the hybrid generator is finally connected to the grid and the control laws necessary for this connection are implemented and validated under the Matlab Simulink platform.
Le présent sujet contribue à la modélisation et à la commande de systèmes de conversion éoliens basés sur un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE). Le degré de liberté apporté par l’excitation bobinée offre la possibilité de travailler sur l’amélioration de l’efficacité énergétique sur les cycles de fonctionnement avec sollicitations aléatoires, comme dans le cas de l’éolien.On vise, à travers cette recherche, la mise en place de techniques de commande robuste d’un GSDE en vue de l’optimisation de son rendement aérodynamique et de la réduction de la fatigue mécanique. Dans ce contexte, un générateur hybride relié à une charge isolée pour des applications éoliennes est présenté. Des modèles linéaires sont tout d’abord établis. Ces modèles sont ensuite utilisés pour mettre en place les structures de contrôle appropriées tant du point de vue électrique que mécanique. Parallèlement, des modèles non linéaires très complets sont développés permettant une validation en simulation très poussée prenant en compte les harmoniques d’espace du générateur, les effets de commutation des convertisseurs et les effets de torsion sur l’arbre. En outre, un émulateur éolien de 3 kW est construit, en vue d'évaluer expérimentalement l’apport de notre générateur hybride dans le domaine éolien puis d'améliorer les contrôleurs synthétisés. Dans ce travail, deux stratégies de contrôle robuste pour une machine hybride sont implémentées et une comparaison entre un contrôleur CRONE et un contrôleur H∞ est établie. Des résultats très satisfaisants sont obtenus avec une meilleure performance du CRONE par rapport au H∞. Outre la problématique de l’optimisation de la production du système de conversion éolien, on a aussi cherché à réduire le taux d’harmonique en recourant à deux solutions : le filtrage passif et la réduction des ondulations du couple électromagnétique par action sur le courant d’excitation. Bien qu’on ait apporté des améliorations pour de grandes vitesses de rotation de la génératrice, ces solutions restent insuffisantes pour une connexion de l’architecture proposée au réseau électrique...Une fois l’applicabilité de la GSDE dans le domaine éolien prouvée pour le cas d’un système éolien de 3 kW, nous sommes passé à une puissance plus réaliste en interfaçant notre modèle électrique avancé avec un modèle aéroélastique, disponible sur le logiciel FAST. Ce dernier permet de prendre en compte les éléments mécaniques, les couplages et les éventuelles flexibilités. La turbine choisie pour l’étude est la turbine WindPACT de puissance 1.5MW. Dans cette partie, des commandes robustes traitant la réduction de la fatigue mécanique sont élaborées.Le modèle de la turbine WindPACT basé sur le générateur hybride est finalement connecté au réseau, les lois de commande nécessaires pour cette connexion sont implémentées puis validées sous la plateforme Matlab Simulink.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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