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Revue des Energies Renouvelables Vol. 17 N°4 (2014) 507 518 507 Commande d’une éolienne à base d’une génératrice synchrone à aimant permanent avec convertisseur complet S. El Hani 1* et S. Guedira 21 Université Mohammed V Souissi, Ecole Normale Supérieure de l’Enseignement Technique, Rabat, Maroc 2 Ecole Normale de l’Industrie Minérale, Rabat, Maroc (reçu le 14 Février 2014 et accepté le 30 Décembre 2014) Résumé - Dans le présent article, nous discutons le problème de la recherche de la puissance maximum d’une éolienne, (Maximum Power Point Tracking, ‘MPPT’), à base d’une Génératrice Synchrone à Aimant Permanant (PMSG) débitant dans le réseau de puissance à travers une chaîne complète de convertisseurs statiques. Pour cela, nous proposons un schéma de commande de la machine synchrone, comportant un premier dispositif alternatif/continu suivi d’un second dispositif continu/alternatif. Le principe MPPT repose sur la variation de vitesse de la turbine suivant celle du vent en cas de raccordement indirect de la génératrice avec le réseau. Les simulations sur Matlab- Simulink, présentées en fin d’article, confirment une bonne adéquation du schéma de commande, du choix des paramètres de réglage ainsi que l’architecture de la chaîne de conversion aux objectifs assignés. Abstract - In this article, we discuss the problem of finding the maximum power of a wind turbine, (Maximum Power Point Tracking 'MPPT), based on a Permanent Magnetic Synchronous Generator (PMSG) feeding into the network power through a complete chain of static converters. For this, we propose a scheme for controlling the synchronous machine with a first continuous device alternative/continuous followed by a second DC / AC device. The principle of the MPPT is based on the change in the turbine speed according to the wind one in the case of an indirect connection from the generator to the network. The Matlab-Simulink simulations, presented at end of the article, confirm a good fit of the control scheme, the choice of settings parameters and the design of the chain of conversion to the assigned objectives. Mots clés: Machine synchrone à aimant permanent Eolienne - Convertisseur complet MPPT. 1. INTRODUCTION Face à la flambée des prix du pétrole et l’épuisement, à plus ou moins long terme, des sources d’énergies fossiles, différentes solutions de substitution ont été envisagées. Le début du 21 ème siècle a été marqué par une ruée spectaculaire vers les énergies renouvelables. L’ultime objectif est de s’affranchir de la dépendance vis-à-vis des sources conventionnelles dénergies. Récemment, cette tendance a été accrue, d’autant plus, par des considérations d’ordre écologique. En effet, la consommation élevée des sources énergétiques fossiles traditionnelles cause de sérieux dommages environnementaux. Aussi, tous les pays sont appelés aujourd’hui à contribuer à l'effort international de lutte contre les changements climatiques. * [email protected] [email protected]

Commande d'une éolienne à base d'une génératrice synchrone

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Text of Commande d'une éolienne à base d'une génératrice synchrone

  • Revue des Energies Renouvelables Vol. 17 N4 (2014) 507 518

    507

    Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone

    aimant permanent avec convertisseur complet

    S. El Hani 1* et S. Guedira 2

    1 Universit Mohammed V Souissi, Ecole Normale Suprieure de lEnseignement Technique, Rabat, Maroc 2 Ecole Normale de lIndustrie Minrale, Rabat, Maroc

    (reu le 14 Fvrier 2014 et accept le 30 Dcembre 2014)

    Rsum - Dans le prsent article, nous discutons le problme de la recherche de la

    puissance maximum dune olienne, (Maximum Power Point Tracking, MPPT), base

    dune Gnratrice Synchrone Aimant Permanant (PMSG) dbitant dans le rseau de

    puissance travers une chane complte de convertisseurs statiques. Pour cela, nous

    proposons un schma de commande de la machine synchrone, comportant un premier

    dispositif alternatif/continu suivi dun second dispositif continu/alternatif. Le principe

    MPPT repose sur la variation de vitesse de la turbine suivant celle du vent en cas de

    raccordement indirect de la gnratrice avec le rseau. Les simulations sur Matlab-

    Simulink, prsentes en fin darticle, confirment une bonne adquation du schma de

    commande, du choix des paramtres de rglage ainsi que larchitecture de la chane de

    conversion aux objectifs assigns.

    Abstract - In this article, we discuss the problem of finding the maximum power of a wind

    turbine, (Maximum Power Point Tracking 'MPPT), based on a Permanent Magnetic

    Synchronous Generator (PMSG) feeding into the network power through a complete

    chain of static converters. For this, we propose a scheme for controlling the synchronous

    machine with a first continuous device alternative/continuous followed by a second DC /

    AC device. The principle of the MPPT is based on the change in the turbine speed

    according to the wind one in the case of an indirect connection from the generator to the

    network. The Matlab-Simulink simulations, presented at end of the article, confirm a good

    fit of the control scheme, the choice of settings parameters and the design of the chain of

    conversion to the assigned objectives.

    Mots cls: Machine synchrone aimant permanent Eolienne - Convertisseur complet

    MPPT.

    1. INTRODUCTION

    Face la flambe des prix du ptrole et lpuisement, plus ou moins long terme,

    des sources dnergies fossiles, diffrentes solutions de substitution ont t envisages.

    Le dbut du 21me sicle a t marqu par une rue spectaculaire vers les nergies

    renouvelables. Lultime objectif est de saffranchir de la dpendance vis--vis des

    sources conventionnelles dnergies.

    Rcemment, cette tendance a t accrue, dautant plus, par des considrations

    dordre cologique. En effet, la consommation leve des sources nergtiques fossiles

    traditionnelles cause de srieux dommages environnementaux. Aussi, tous les pays sont

    appels aujourdhui contribuer l'effort international de lutte contre les changements

    climatiques.

    * [email protected] [email protected]

  • S. El Hani et al.

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    Parmi les nergies renouvelables, trois grandes familles mergent: dorigine

    mcanique (houle, olien), dorigine lectromagntique (modules photovoltaques) ou

    dorigine thermique (gothermie, solaire thermique, ).

    En particulier, lnergie olienne peut tre convertie en nergie mcanique pour le

    pompage de leau ou en nergie lectrique par lutilisation de gnrateurs appropris.

    Cette deuxime forme de conversion s'est considrablement dveloppe dans le monde,

    aussi bien travers des applications domestiques ou bien industrielles en connexion

    avec le rseau de puissance lectrique.

    Financirement parlant, les arognrateurs prsentent un niveau de rentabilit faible

    [3], vu le cot important de leur installation. Cependant, ils prsentent plusieurs

    avantages en termes de prservation des ressources naturelles non-renouvelables, de

    limitation de pollution environnementale et dautonomie de fonctionnement.

    Thoriquement, le pouvoir de rcupration des gnrateurs turbines oliennes est

    limit environ 58 % de lnergie cintique du vent [3]. Cest la limite de Betz. Le

    coefficient de puissance pC , tient compte de cette limite, ainsi que des pertes

    mcaniques par friction et varie suivant la vitesse de rotation de la turbine. Cest

    pourquoi, le suivi du point de fonctionnement puissance maximale est recommand.

    Nombreuses sont les recherches menes sur les approches de recherche du MPPT [5].

    Ces dernires sont classes en deux catgories. La premire catgorie, sans capteur [8],

    se base sur le suivi de la variation de puissance. La seconde capteur [8] est ddie la

    recherche du MPPT par le contrle du couple et de la vitesse spcifique de la turbine,

    connue communment par TSR, Tip Speed Ratio, [6, 7].

    La commande TSR rgule directement la vitesse o le couple de la turbine en vue de

    garder le TSR une valeur optimale par mesure de la vitesse de la turbine. La mthode

    de recherche du MPPT, Hill Climb Search: HCS prsente en [10] consiste asservir

    la vitesse une rfrence dynamique en concordance avec le sens de variation de la

    puissance active de sortie.

    Cette mthode ne ncessite pas de lecture pralable de la vitesse du vent ni de celle

    de lolienne. Elle ne ncessite pas, non plus, la connaissance de caractristiques de

    lolienne. Lalgorithme de recherche de la puissance maximale par HCS se base sur

    lannulation de la drive premire de la puissance lextremum de puissance.

    La quantit dnergie rcupre par les systmes de conversion de lnergie olienne

    vitesse variable Variable Speed Wind Energy Conversion System: VS-WECS,

    dpend de la prcision avec laquelle est faite la recherche du MPPT et aussi du type de

    gnrateur utilis. Les chanes de conversion dnergie associes utilisent souvent un

    gnrateur synchrone aimants permanents [12]. Ce type de machine permet de

    saffranchir du problme dalimentation en courant dexcitation, lourd grer dans une

    machine synchrone classique.

    Afin de maximiser lefficacit de larognrateur olien, diverses solutions ont t

    examines diffrents niveaux de la chane de conversion [9], selon le raccordement

    direct ou indirect au rseau.

    Le raccordement indirect du gnrateur au rseau lectrique offre, outre lavantage

    doptimiser la puissance soutire au vent, la possibilit dconomiser des temps

    importants de dmarrage et de synchronisation avant couplage avec le rseau. Un

    schma conventionnel dune PMSG raccorde au rseau travers un convertisseur

    complet, consiste lutilisation de deux dispositifs, alternatif/continu et

    continu/alternatif.

  • Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone aimant permanent

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    Fig. 1: VS- WECS conventionnel

    Linterface lectronique de puissance, place entre le gnrateur et le rseau, aura

    pour rle de commander le gnrateur afin dextraire le maximum de puissance du vent

    [2]. Le schma conventionnel du VS-WECS utilise un redresseur command (Fig. 1).

    En effet, Li et al., [1] a propos un schma de commande de la gnratrice

    synchrone par redresseur command MLI. Ce dispositif demande une logistique

    importante en composants de puissance (06 interrupteurs commandables en fermeture et

    en ouverture). Mais les auteurs nont pas t au-del dune modlisation par

    reprsentation dtat du systme de puissance.

    Fig. 2: VS-WECS redresseur diodes et hacheur dvolteur

    Le schma de commande de la machine synchrone aimant permanent que nous

    proposons (Fig. 2), est un convertisseur complet qui relie la PMSG au rseau de

    puissance. Ct machine, ce convertisseur comporte un redresseur diodes suivi dun

    hacheur dvolteur [5]. Par rapport la solution du redresseur MLI comportant 03 bras

    dinterrupteurs commands, cette variante de commande utilise un dispositif de

    matriels ralliant performance, fiabilit et cot minimum. Par contre, le dispositif de

    conversion ct rseau, comporte un hacheur boost. Le schma complet du

    convertisseur est donn la figure 3.

  • S. El Hani et al.

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    Fig. 3: VS-WECS propos

    Il sagit dune rcupration instantane de lnergie dans le rseau de puissance. Elle

    permet de raliser lconomie dune batterie ou dun accumulateur.

    La mthode propose de recherche MPPT requiert la lecture en temps rel de la

    vitesse du vent, ainsi que la connaissance pralable des caractristiques de la turbine.

    Elle prsente les avantages par rapport la mthode, dite Hill Climb Search, de la

    rapidit de convergence et dune meilleure stabilit autour du point de rgime

    permanent [9].

    La rgulation du courant de la gnratrice est effectue en commande linaire par

    retour dtat. Les rsultats sont illustrs par des simulations en fin darticle.

    2. ALGORITHME

    Fig. 4: Algorithme de commande

    3. SCHEMA DU MONTAGE DE PUISSANCE

    Le dispositif de conversion comporte deux tages et un condensateur intermdiaire:

    Un dispositif Alternatif-Continu: constitu dun redresseur diodes suivi dun

    hacheur buck pour le rglage du courant de courant de charge I1 du condensateur.

    Un dispositif Continu-Alternatif: constitu dun hacheur boost pour le rglage du

    courant de dcharge 2I suivi dun onduleur de courant MLI.

    Ainsi, pour le rglage et la stabilit du systme, on dispose de deux grandeurs

    dentre: les courants 1I et 2I .

  • Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone aimant permanent

    511

    La rgulation du courant dbit 1I par la gnratrice se fait par le biais dun module

    de charge du condensateur constitu dun hacheur buck assurant la charge courant

    constant dun condensateur.

    Le courant 2I permet dassurer la dcharge de ce condensateur vers le rseau

    alternatif. Cette fonction est assure par un module de dcharge dans le rseau de

    puissance constitu dun hacheur boost suivi dun onduleur de courant MLI travers

    un transformateur disolation.

    4. MODELISATION MATHEMATIQUE DE

    LA CHAINE DE CONVERSION EOLIENNE

    4.1 Eolienne

    La puissance rcuprable de lolienne est donne par lexpression:

    ),(CVR2

    1P p

    32E

    VR

    La figure ci-aprs montre lallure de pC en fonction de pour une olienne axe

    horizontal 3 ples.

    Fig. 5: Coefficient de puissance en fonction de la vitesse

    Le maximum de puissance reue par lolienne est atteint pour max qui donne

    maxpC (Maximum infrieur la limite thorique de Betz).

    En utilisant un capteur de vitesse du vent, le module MPPT permet dlaborer la

    consigne de vitesse de la gnratrice assurant une puissance maximale selon la vitesse

    du vent.

    Les variations de la vitesse du vent sont reprsentes par une loi de Weibull dont la

    densit de probabilit est donne par lexpression suivante:

    K

    C

    V

    1kK eVCK)V(f

    La distribution de Rayleigh, adopte par les fabricants, considre la valeur 2 pour le

    paramtre K .

    La fonction de rpartition est donne par lexpression:

  • S. El Hani et al.

    512

    K

    C

    V

    e1)V(F

    )V(F traduit la probabilit que la vitesse du vent soit comprise entre 0 et V.

    4.2 Gnratrice synchrone aimant permanent

    Dans le systme daxes qd , les quations lectriques de la gnratrice scrivent en

    convention gnrateur:

    qqd

    ddd iLtd

    idLiRv0

    ddq

    qqqd iLtd

    idLiRv

    qdqdqdG ii)LL(i2

    3P

    cosvv Gd sinvv Gq

    Les quations mcaniques scrivent:

    p

    GE PPtd

    dJ

    On adopte les hypothses suivantes: la rsistance dinduit est nglige, ainsi que les

    forces lectromotrices de transformation. Dautre part, on considre la machine

    synchrone isotrope ( qd LLL ); les quations lectriques deviennent:

    d222

    dG iLv

    GdG isin2

    3P

    La tension de sotie de la gnratrice synchrone et la vitesse de rotation sont quasi-

    proportionnelles. De mme, le courant dinduit peut jouer le rle dune grandeur

    dentre pour commander la puissance rcupre.

    4.3 Redresseur diodes

    Le courant continu Ri la sortie du redresseur diodes se traduit en courant

    alternatif Gi son entre dont la valeur efficace du fondamental scrit suivant la loi:

    RmoyG i6

    i

    4.4 Hacheur buck

    Ce convertisseur continu-continu, dit srie, avec tension dentre suprieure celle

    de sortie, permet de charger le condensateur courant constant 1i . Dans ces conditions,

    on a:

    RbR ii

    Avec, RCR v/v (rapport cyclique)

  • Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone aimant permanent

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    Linductance 1L la sortie est choisie suffisamment leve pour lisser le courant de

    sortie 1i .

    4.5 Condensateur de stockage

    Lquation du condensateur scrit:

    td)ii(C

    1v 21C

    Le courant 2i peut jouer un rle particulier dans le maintien de tension du

    condensateur de stockage une valeur constante et, conomiquement, ne dpassant pas

    une valeur de 200 V.

    La capacit C est choisie suffisamment leve pour lisser la tension aux bornes Cv .

    4.6 Hacheur boost

    Ce convertisseur continu-continu, dit parallle, permet damplifier la tension la

    sortie de manire injecter du courant dans un rcepteur de tension Ev suprieure

    Cv telle que:

    t

    CE

    1

    vv

    Linductance 2L lentre est choisie suffisamment leve pour lisser le courant

    dentre 2i .

    4.7 Onduleur MLI

    Constitu de 03 bras dinterrupteurs IGBT dont les signaux de grille obissent une

    loi de commande approprie, il permet donduler le courant EI suivant une rfrence

    sinusodale arbitraire. Cette rfrence sera prise en phase avec la tension de phase AV

    pour obtenir un change de ractif nul avec le rseau.

    Le fondamental du courant AI vrifie la condition de conservation de puissance

    suivante:

    effeff AA2CIU3IV

    5. MODELISATION DYNAMIQUE

    A laide des variables exprimes en termes de variations, on dfinit les vecteurs

    dtat et de commande tels que:

    CVX

    2

    1

    I

    IU

    On tablit lquation de la reprsentation dtat:

    UBXA'X

    00

    AAA

    1211

    2221

    11

    BB

    0BB

    Ce systme est commandable, observable mais instable (existence de deux valeurs

    propres suprieures ou gales 0).

  • S. El Hani et al.

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    On cherche tablir une commande par retour dtat afin de stabiliser le systme.

    Le problme consiste dterminer K tel que:

    XKU

    Avec,

    2

    1

    K0

    0KK

    La matrice dtat en boucle ferme H scrit:

    KBAU

    Avec

    2221

    1211

    HH

    HHH

    Le polynme caractristique de H est donn par:

    bsasHs)s(F 2

    Dautre part, on cherche identifier le systme celui stable dfini par 0H tel que:

    021

    00

    B

    0H

    Ce systme admet comme polynme caractristique;

    200

    20 s2s)s(F

    Par identification des deux polynmes, on tablit que 1K est solution de lquation

    du second ordre:

    0PKNKM 121

    Do, les rsultats des gains 1K et 2K .

    6. RESULTATS)

    On considre une machine synchrone aimant permanent aux caractristiques

    suivantes: 16 kW, 400 V, 50 Hz.

    Caractristiques lectriques standards: )(645.0Rs ; )H(002228.0L1 ;

    )H(05297.0Lmd ; )H(02518.0Lmd ; )kgm(1278.0J2 ; 013.0f ; 2p .

    Ractance de liaison avec le rseau BT: 10-4H.

    On choisit une olienne 3 ples aux caractristiques suivantes:

    Puissance nominale: kW1.8PN .

    Rayon des ples: m245.2R .

    Rapport de multiplication: 5Km .

    Le maximum de puissance reue par lolienne est atteint pour max =8.1 qui donne

    maxpC = 0.48 (Maximum infrieur la limite thorique de Betz).

    Les courbes de puissance seront reprsentes dans le graphique ci-dessous pour 03

    valeurs significatives de vitesse de vent.

  • Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone aimant permanent

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    Fig. 6: Courbes de puissance en fonction de la vitesse du vent

    Daprs ces caractristiques, il savre que :

    A une vitesse du vent de 12 m/s, la puissance maximale est gale la puissance

    nominale atteinte la vitesse de rotation de lolienne de valeur 1.38 p.u., (Fig. 6).

    A une vitesse du vent de 8.9 m/s, la puissance maximale est gale 0.40 p.u.

    atteinte la vitesse de rotation nominale.

    A une vitesse du vent denviron 5.2 m/s, lolienne cesse de fonctionner lorsque la

    vitesse est gale la vitesse nominale (le cas du raccordement direct), mais le maximum

    est atteint la vitesse de 0.6 p.u.

    La distribution de Weibull caractrise statistiquement le profil de la vitesse du vent:

    Fig. 7: Distribution de Weibull

    Avec des paramtres- s/m3.9C et 8.1K . On obtient les rsultats suivants-

    Vitesse moyenne de vent: 8.3 m/s, 30.0)2,5(F .

    Environ 30 % du temps, lolienne doit sarrter de produire, lorsquelle dbite

    travers un raccordement direct. A titre dillustration, on considre un profil des vitesses

    du vent comme ci-dessous:

    Fig. 8: Profil de vitesse en fonction du temps

  • S. El Hani et al.

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    Les figures ci-dessous reprsentent lolienne en phase de dmarrage puis en rgime

    de production:

    Fig. 9: Vitesse en fonction du temps Fig. 10: Puissance en fonction du temps

    Fig. 11: Tension en fonction du temps Fig. 12: Courant en fonction du temps

    Fig. 13: Grandeurs lectriques du rseau lectrique

    7. CONCLUSION

    Notre approche pour la recherche du Point de Puissance Maximum, MPPT savre

    satisfaisante du point de vue de la convergence et de la stabilit du groupe olien.

  • Commande dune olienne base dune gnratrice synchrone aimant permanent

    517

    La mthode propose garantit une production sans interruption de lnergie

    lectrique, mme pour des vitesses de vent faibles. Larticle a mis laccent sur les

    phases de dmarrage, puis amorage du groupe, ds que la vitesse de consigne est

    atteinte. Cette opration ne ncessite pas une opration complique de synchronisation

    avant couplage comme dans le cas du raccordement direct.

    En outre, lutilisation de redresseur diodes et de hacheur buck pour le stockage de

    lnergie confre notre dispositif un caractre fiable et bon march. Il nempche que

    ladoption des caractristiques lectriques standards, aussi bien de la gnratrice que des

    composants de puissance soit source de dissipation considrable dnergie en relation

    directe avec la quantit de puissance rcupre.

    Au stade de conception, une attention particulire devra tre accorde cet aspect.

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