Une contribution à la commande non linéaire d’éoliennes flottantes

A contribution to the nonlinear control of floating wind turbines

• Auteur / Autrice : Cheng Zhang
• Direction : Franck Plestan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique et robotique
• Date : Soutenance le 09/02/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Xavier Brun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Plestan, Xavier Brun, Salah Laghrouche, Kouider Nacer M'Sirdi, Carolina Evangelista, Jean-Christophe Gilloteaux, Sofien Kerkeni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salah Laghrouche, Kouider Nacer M'Sirdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pales d'éoliennes

Systèmes adaptatifs

Commande non linéaire

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Éolienne flottante

Commande adaptative

Modes glissants d’ordre supérieur

Contrôle du pas des pales

Floating wind turbine

Adaptive control

High-order sliding mode

Blade pitch control

Résumé

Les éoliennes flottantes permettent d’utiliser l’abondante ressource en vent présente au large des côtes, et sont considérées comme une source prometteuse d’énergie renouvelable. Cependant, en raison de dynamiques supplémentaires introduites par la plateforme flottante (notamment, le tangage), le contrôle d’une éolienne flottante doit être pensée afin de stabiliser le système tout en optimisant la production d’énergie. Ce travail est consacré à la commande non linéaire d’éoliennes flottantes dans la région III, la classe de lois de commande proposée nécessitant une connaissance réduite en terme de modélisation du système. Les objectifs de la commande sont de maintenir la puissance produite à sa valeur nominale, tout en li mitant le mouvement de tangage de la plateforme et les charges de fatigue sur la structure. Tout d’abord, une loi de commande adaptative basée sur le supertwisting est proposée, avec notamment une loi d’adaptation du gain très simple. Ensuite, en utilisant un contrôle collectif du pas des pales, ce nouvel algorithme de commande est appliqué sur un modèle d’éolienne flottante non linéaire et comparé à d’autres commandes adaptatives par modes glissants d’ordre 2. Dans un second temps, une machine synchrone à aimants permanents est supposée être installée dans l’éolienne flottante. L’utilisation du pas des pales (approche collective) et du couple du générateur permet d’atteindre les objectifs, à partir de lois de commande basées sur une approche adaptative par mode de glissement d’ordre 2. Une troisième partie est consacrée à l’étude d’une commande individuelle du pas des pales combinée à une commande collective. Il est montré qu’un tel algorithme limite la charge de fatigue des pales. Enfin, des lois de commande sont appliquées et comparées sur un système expérimental d’éolienne flottante placé dans un bassin à houle. Les performances des lois de commande basées sur les modes glissants sont évaluées par rapport à des approches de commande linéaire telles qu’un PI à gain variable, et une commande linéaire quadratique.

Floating wind turbines allow the use of the abundant wind resource in ocean area and are considered as a promising solution of renewable energy. However, due to the additional dynamics (especially the platform pitch motion) introduced by the floating platform, the control of a floating wind turbine must take such pitch motion into consideration to stabilize the system meanwhile optimizing the power output. This work is dedicated to the nonlinear control of floating wind turbines in region III, this class of controllers requiring reduced knowledge of system modeling and parameter. The control objectives are to maintain the power output at its rated value, to reduce the platform pitch motion and to limit the fatigue load. Firstly, a simplified adaptive super-twisting is proposed. Then, by using collective blade pitch control, this algorithm and other adaptive high order sliding model algorithms are applied on a nonlinear floating wind turbine model. Secondly, a permanent magnet synchronous generator is supposed to be installed in the floating wind turbine. Both collective blade pitch control and generator torque control based on adaptive high-order sliding mode control are used to achieve the control objectives. Thirdly, individual blade pitch control combined with collective blade pitch control is employed. Such algorithm further reduces the fatigue load of blades. Finally, the proposed simplified adaptive super-twisting algorithm is validated on an experimental floating wind turbine set-up (with a spar-buoy platform) in a wave tank, and the control performances are evaluated versus linear control approaches such as gain-scheduled PI and linear–quadratic regulators.