Real-time fault diagnosis and fault-tolerant control of 5-phase non-sinusoidal back-EMF PMSG-based tidal turbine systems

Détection des défauts en temps réel et commande active tolérante aux défauts d’une chaine de production d’énergie hydrolienne à base d’une génératrice synchrone penta-phasée à FEM non sinusoïdale

• Auteur / Autrice : Zhuo Liu
• Direction : Mohamed Machmoum, Mohamed Fouad Benkhoris, Azeddine Houari, Tianhao Tang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes en cotutelle avec Shanghai Maritime University (Shanghai, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Énergie Électrique de Nantes-Atlantique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Demba Diallo, Tianzhen Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yong-Dong Li, Farid Meibody-Tabar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Énergies renouvelables

Hydroliennes

Mots clés libres

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Tidal turbine system

Five-Phase back-EMF PMSG

Open circuit fault

Abrupt change detection

Fault detection and localization,

Active fault tolerant control

Résumé

Dans cette thèse l’accent est mis sur l’apport d’une chaine de production d’énergie hydrolienne tolérante aux défauts basée sur une génératrice synchrone penta-phasée à aimants permanents. La génératrice est à fem non sinusoïodale et est connecté au réseau via un redresseur AC/DC à MLI pentaphasé suivi d’un onduleur triphasé. Cette chaîne est d’abord modélisée et ses performances sont évaluées en mode sain. L’impact de défauts de type interrupteurs de puissance ouverts ou phases ouvertes sur les grandeurs électriques et le couple produit est ensuite investigué. Une nouvelle stratégie de détection et de localisation de défauts en temps réel s’appuyant sur une recherche de singularités dans les formes d’onde des courants statoriques est proposée. Les performances de cette méthode basée sur un estimateur fréquentiel sont évaluées et comparées à la méthode classique des moyennes glissantes. Une stratégie de commande tolérante au défauts basée sur une méthode de compensation active permettant d’assurer la continuité de service est ensuite investiguée. L’effort de compensation est synthétisé à travers un observateur proportionnel intégral généralisé. Cette méthode qui ne nécessite pas une connaissance préalable du type de défaut permet de réduire significativement les oscillations de couple en mode défaut et d’en améliorer même la qualité en mode de fonctionnement sain. L’ensemble des stratégies développées sont validées par simulation et via une implantation temps réelle sur un banc d’essai expérimental à échelle réduite.

Tidal current energy becomes attractive due to its high predictability and large reserves. To increase the reliability and availability of the tidal current energy conversion chain, efficient fault diagnosis and fault-tolerant control methods are needed. Hence, this thesis investigates the use of a 5-phase non-sinusoidal back-EMF PMSG that performs higher fault-tolerance and efficiency than the classical 3-phase PMSG. In order to strengthen the merits of the 5-phase PMSG, open phase faults of the generator and open switch faults of the seried machine side converter are studied. A new real-time fault detection and localization strategy based on a singularities extraction in the stator currents waveforms is proposed. The perfor- mances of this method based on a frequency estimator are evaluated and compared to a classical moving average detection technique. A fault tolerant control strategy based on an active compensation method to ensure the system availability is then investigated. The compensation effort is designed through a generalized proportional integral observer. This method, which does not require prior knowledge of the type of fault, reduces significantly the torque ripples in faulty modes and even improves the torque quality in healthy operating modes. All the developed strategies are validated by simulation and through a real time implementation on a small scale experimental test bench.